基于CATIA/CAA的軌道車輛壓型件毛坯展開系統(tǒng)開發(fā)

丁潔瓊，魯萬彪，李樹棟,，樊勝寶，王雯，鮑益東

(1. 中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031； 2. 南京航空航天大學，江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著軌道列車運營時間和速度的不斷提高，對車輛運行安全性和舒適度提出了更高的要求。軌道車輛壓型件作為列車的重要組成部件，其成形質(zhì)量的好壞直接決定了列車運行的穩(wěn)定性和安全性[1]，其中，鈑金零件毛坯的精確性對控制零件的成形精度和制造成本有著重要意義。

在軌道車輛鈑金零件毛坯展開方面，目前多采用經(jīng)驗法和實驗修正相結(jié)合的方法獲得毛坯展開的近似幾何形狀。魯萬彪等[2]利用經(jīng)驗法對軌道車輛小彎梁零件坯料進行了展開，并提出了4種改進方案進行了實驗對比，有效提高了零件的成形質(zhì)量。然而，使用經(jīng)驗法對鈑金零件毛坯展開存在著完全依靠工人經(jīng)驗、開發(fā)周期長和成本高等缺點。

目前，許多科研學者提出了多種針對不同類型的鈑金零件毛坯展開算法。吳建軍等[3]總結(jié)介紹了10余種鈑金零件毛坯展開算法，并預示了展開算法將面向通用性、精確性、集成性和快速性的方向發(fā)展。崔靜等[4]提出一種基于一步逆成形法的等效阻力自適應算法，該算法在一定程度上提高了帶負角鈑金零件展開的精確性。本文將采用一步逆算法，并使用CATIA/CAA二次開發(fā)完成對軌道車輛壓型件毛坯的精確展開。

1 CATIA/CAA二次開發(fā)

CATIA軟件主要提供了兩種二次開發(fā)的接口，包括自動化對象編程(V5 automation)和開放的基于構(gòu)件的應用編程接口(CAA)[5]。其中使用前者對CATIA進行二次開發(fā)存在著一定的局限性，但其他軟件能夠通過引用該接口實現(xiàn)和CATIA軟件之間的相互通信。這種方式使得用戶完全不需要關(guān)注CATIA軟件的基本操作界面，極大地方便了用戶的使用。而CAA是CATIA軟件的開發(fā)組件級應用架構(gòu)[6]，CATIA/CAA是一種基于組件級的開發(fā)，區(qū)別于面向?qū)ο缶幊蹋枰嗟仃P(guān)注各組件之間的相互通信關(guān)系。圖1展示了CATIA/CAA二次開發(fā)基本架構(gòu)。

CATIA/CAA二次開發(fā)和其他軟件二次開發(fā)一樣，主要用于集成軟件的部分功能，進行客戶定制化開發(fā)，以此降低用戶使用難度和提高工作效率。CATIA/CAA提供的接口較為豐富，理解和使用這些接口函數(shù)是用戶對CATIA軟件進行深度二次開發(fā)的基礎(chǔ)。

圖1 CATIA/CAA基本架構(gòu)

2 壓型件毛坯展開系統(tǒng)開發(fā)

本文基于一步逆成形法理論，以CATIA/CAA為平臺，開發(fā)一套壓型件毛坯展開系統(tǒng)。

2.1 毛坯展開流程

一步逆成形算法在計算時僅考慮零件的初始與最終構(gòu)型，忽略中間成形過程[7]，因此一步逆成形算法與其他算法相比，其計算效率顯著地提高。本文以一步逆成形法作為壓型件毛坯展開系統(tǒng)的核心算法，其計算速度僅取決于零件劃分網(wǎng)格的規(guī)模，計算效率更高。由于一步逆成形進行展開計算是基于面網(wǎng)格模型的，三維模型需要進一步處理才可以進行展開計算。毛坯從三維零件得到展開外輪廓線的流程如圖2所示。

圖2 毛坯展開流程圖

2.2 毛坯展開系統(tǒng)

本文所開發(fā)的壓型件毛坯展開系統(tǒng)基于CATIA/CAA進行開發(fā)，由于CATIA自身為三維建模平臺，壓型件三維模型可在CATIA中建立，也可通過CATIA軟件所提供的豐富數(shù)據(jù)接口進行導入。本文所開發(fā)的毛坯展開系統(tǒng)集成了除導入零件、抽取面等功能的其他功能。壓型件毛坯展開系統(tǒng)集成界面如圖3所示。Material模塊定義了材料和板料厚度等；Model模塊集成了網(wǎng)格相關(guān)的功能，如劃分網(wǎng)格等；Analyse & Post模塊集成了展開計算相關(guān)的功能，如設定分析參數(shù)等。

在使用本系統(tǒng)時，僅需依次輸入?yún)?shù)，即可完成圖2所示的毛坯展開流程，具有使用方便、快捷和計算高效等特點。所得展開線可在CATIA軟件中直接進行填充面等操作，減少了導入、導出的過程，可有效避免數(shù)據(jù)和精度丟失的情況。

圖3 壓型件展開系統(tǒng)集成界面

3 軌道車輛小彎梁毛坯展開實例

3.1 小彎梁毛坯展開

本文以軌道車輛車頂小彎梁毛坯展開為例，驗證前節(jié)所開發(fā)的基于CATIA/CAA的鈑金零件毛坯展開系統(tǒng)。小彎梁為軌道車輛壓型件中的典型結(jié)構(gòu)件，其厚度為2mm，截面為帽形，高約70mm，寬約94mm。圖4展示了使用本文所開發(fā)系統(tǒng)展開小彎梁零件的全部過程((a)-(b)-(c)-(d))。圖5對本文展開系統(tǒng)和使用經(jīng)驗法與實驗修正相結(jié)合的方法得到的小彎梁零件展開外輪廓進行了對比分析。從圖中可以看出，二者外輪廓線除工藝切口(圓圈處)之外均較為接近，由此證明了本文所開發(fā)的展開系統(tǒng)的準確性。

圖4 小彎梁零件毛坯展開全過程

圖5 經(jīng)驗法和本文開發(fā)系統(tǒng)小彎梁零件展開外輪廓對比

3.2 小彎梁成形有限元仿真

針對上小節(jié)使用兩種方法展開的小彎梁毛坯零件，采用相同的壓型參數(shù)，通過Abaqus通用有限元仿真軟件對其進行有限元壓型模擬仿真，分別得到了兩種毛坯對應壓型成形后的小彎梁零件。為對比小彎梁兩種展開方式壓型成形后和理論模型之間差異，對所有成形后零件的外輪廓向其壓型方向投影，得到如圖6所示投影外輪廓曲線圖。從圖中可以看出，兩種坯料展開方法得到的壓型成形厚度零件外輪廓均和理論模型比較接近，且使用本文開發(fā)的系統(tǒng)展開的小彎梁零件壓型成形后更接近于理論模型。

4 結(jié)語

本文開發(fā)了一套基于CATIA/CAA二次開發(fā)的軌道車輛壓型件坯料展開系統(tǒng)，為用戶在CATIA軟件中開發(fā)了以一步逆鈑金零件毛坯展開算法為核心的用戶界面，用戶只需輸入鈑金零件的基本參數(shù)、點擊功能按鈕，便能實現(xiàn)對零件的精確展開。通過軌道車輛典型壓型件小彎梁為實例進行驗證，充分體現(xiàn)了該套系統(tǒng)對鈑金零件毛坯展開的精確性和高效性，并在一定程度上降低了鈑金零件的生產(chǎn)成本。本文所開發(fā)的板料展開系統(tǒng)對于工程實際確定零件下料尺寸具有重要的指導意義。

圖6 兩種方式展開后壓型有限元模擬結(jié)果和理論模型投影輪廓對比