基于性能的车辆转向架三维参数化CAD
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摘要
随着三维图形技术和虚拟样机技术的发展，三维设计已经成为CAD技术应用的必然趋势。在国内，三维CAD技术在铁道机车车辆设计方面的应用主要集中在铁路客货车产品的三维实体造型、产品的有限元分析、标准件库的建立等方面；虚拟样机技术在铁道机车车辆设计方面的主要应用在高速铁路转向架设计中，而对基于性能的车辆转向架的三维设计亦处于探索阶段。本论文开发了基于性能的车辆转向架三维参数化CAD系统，它不仅可以提高车辆转向架的设计效率和设计质量，而且对后续的车辆转向架动力学分析提供了参数和依据，同时也符合了现代技术的发展要求。
本论文结合西南交通大学牵引动力国家重点实验室211项目“机车车辆综合性能设计一虚拟样机平台研究”，根据机车车辆设计特点，提出了机车车辆虚拟样机工程的体系结构。针对虚拟样机分析模块的模型数据准备的部分，围绕三维CAD的核心技术：交互界面、三维模型及特征、数据库等本身，并以SolidWorks 2003为平台进行二次开发，建立了基于性能的车辆转向架的三维参数化CAD。将基于特征的三维参数化设计方法应用到车辆转向架主要零部件计算机辅助设计中，使得用户利用交互式的图形接口操作就可以方便地设计出系列产品的不同型号，实现了车辆转向架的车轴、车轮、弹簧的参数化自动设计，同时按照装配关系自动组装侧架、轴箱、摇枕结构等。系统深入研究了基于COM的SolidWorks API技术的应用过程，建立了系统的数据管理库；并以VC++6.0为开发工具，开发了系统友好的用户界面，同时以VB6.0为工具对车辆转向架主要零部件的属性进行提取。最后，按照虚拟样机项目后续的要求，采用STL的中性文件接口，建立了基于OpenGL的虚拟样机原型，使得能够再现转向架零部件的模型和属性数据，为后续的有限元分析和动力学计算提供必须的数据。
With the development of three-dimensional graphic technique and Virtual Prototype technique, three-dimensional design has already been inevitable tendency of CAD application. In China, the application of three-dimensional CAD technique on locomotive design mainly focuses on three-dimensional solid modeling finite element analysis building standardized component library, and so on. The application Virtual Prototype technique on locomotive design mainly focuses on high velocity bogie design. Overall three-dimensional design based on performance of vehicle bogie is at the stage of searching. This thesis develops three-dimensional parametric CAD system on the performance of vehicle bogie. It not only improves efficiency and quality of design, but also offers parameter and datum for the vehicle bogie kinetics analysis, which also fits in with development require of modern technique.
Combing with the 211 project of locomotive and vehicle synthetical performance design-Virtual Prototype platform research project which belongs to National Traction Power Laboratory of Southwest Jiaotong University, the systemation of the locomotive and vehicle Virtual Prototype engineering has been put forward, which is based on the design character of locomotive and vehicle. In view of a prepared part of model data of Virtual Prototype analysis module, 3D parameric CAD of performance-based vehicle bogie which centres on the following key technique: interface three-dimensional models and feature database themselves etc., has been built up by using secondary development technology of SolidWorks 2003. The customs can conveniently design a series of different product by using interactive graphics interface operation and using the characteristic-based three-demensonal parameric design method to computer aided design about part and components of vehicle bogie. The system realizes the automatic parameric design o
f shaft wheel and spring and the auto- assembling of side rack axle box and swivel block at the same time about vehicle bogie. On the support of SolidWorks API technique, COM-based 2nd development is studied in the thesis, and system database is set up. A friendly user interface is developed by using VC++6.0 as developing tool. Mostly part and components of
vehicle bogie attribute are distilled by using VB6.0 as developing tool. In the end, the Virtual Prototype based on OpenGL is built which uses the neutral file interface of STL and which is in accordance with the follow-up demand of Virtual Prototype project, which makes the model and attribute data about bogie's part and componctsis being showed and which supplys the necessary data with the later finite anysis and dynamics calculatation.
本论文结合西南交通大学牵引动力国家重点实验室211项目“机车车辆综合性能设计一虚拟样机平台研究”，根据机车车辆设计特点，提出了机车车辆虚拟样机工程的体系结构。针对虚拟样机分析模块的模型数据准备的部分，围绕三维CAD的核心技术：交互界面、三维模型及特征、数据库等本身，并以SolidWorks 2003为平台进行二次开发，建立了基于性能的车辆转向架的三维参数化CAD。将基于特征的三维参数化设计方法应用到车辆转向架主要零部件计算机辅助设计中，使得用户利用交互式的图形接口操作就可以方便地设计出系列产品的不同型号，实现了车辆转向架的车轴、车轮、弹簧的参数化自动设计，同时按照装配关系自动组装侧架、轴箱、摇枕结构等。系统深入研究了基于COM的SolidWorks API技术的应用过程，建立了系统的数据管理库；并以VC++6.0为开发工具，开发了系统友好的用户界面，同时以VB6.0为工具对车辆转向架主要零部件的属性进行提取。最后，按照虚拟样机项目后续的要求，采用STL的中性文件接口，建立了基于OpenGL的虚拟样机原型，使得能够再现转向架零部件的模型和属性数据，为后续的有限元分析和动力学计算提供必须的数据。
With the development of three-dimensional graphic technique and Virtual Prototype technique, three-dimensional design has already been inevitable tendency of CAD application. In China, the application of three-dimensional CAD technique on locomotive design mainly focuses on three-dimensional solid modeling finite element analysis building standardized component library, and so on. The application Virtual Prototype technique on locomotive design mainly focuses on high velocity bogie design. Overall three-dimensional design based on performance of vehicle bogie is at the stage of searching. This thesis develops three-dimensional parametric CAD system on the performance of vehicle bogie. It not only improves efficiency and quality of design, but also offers parameter and datum for the vehicle bogie kinetics analysis, which also fits in with development require of modern technique.
Combing with the 211 project of locomotive and vehicle synthetical performance design-Virtual Prototype platform research project which belongs to National Traction Power Laboratory of Southwest Jiaotong University, the systemation of the locomotive and vehicle Virtual Prototype engineering has been put forward, which is based on the design character of locomotive and vehicle. In view of a prepared part of model data of Virtual Prototype analysis module, 3D parameric CAD of performance-based vehicle bogie which centres on the following key technique: interface three-dimensional models and feature database themselves etc., has been built up by using secondary development technology of SolidWorks 2003. The customs can conveniently design a series of different product by using interactive graphics interface operation and using the characteristic-based three-demensonal parameric design method to computer aided design about part and components of vehicle bogie. The system realizes the automatic parameric design o
f shaft wheel and spring and the auto- assembling of side rack axle box and swivel block at the same time about vehicle bogie. On the support of SolidWorks API technique, COM-based 2nd development is studied in the thesis, and system database is set up. A friendly user interface is developed by using VC++6.0 as developing tool. Mostly part and components of
vehicle bogie attribute are distilled by using VB6.0 as developing tool. In the end, the Virtual Prototype based on OpenGL is built which uses the neutral file interface of STL and which is in accordance with the follow-up demand of Virtual Prototype project, which makes the model and attribute data about bogie's part and componctsis being showed and which supplys the necessary data with the later finite anysis and dynamics calculatation.
引文
[1]高霁，曹国强．CAD技术发展与主流造型技术的特点[J]．电气时代．2001年08期．
[2]刘文剑，常伟，金天国等．CAD／CAM集成技术[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000
[3]赵红雁．CAD技术的发展趋势及其相关技术[J]．计算机辅助设计与制造，2001年12期．
[4]马铁利，兰凤崇．行为建模—第五代CAD建模技术[J]．计算机工程与应用，2002，7：98～100
[5]肖刚，李学志．机械CAD原理与实践[M]．清华大学出版社，1999
[6]严隽毫．车辆工程[M]．第二版．中国铁道出版社，1999
[7]田葆栓．铁道车辆制造业CAD技术的应用及发展[J]．铁道车辆．1997，35(5)：21-25
[8]陈伯雄．三维设计是CAD技术应用的必然趋势[J]．计算机辅助设计与制造，2000，(8)：11-13
[9]姜士湖，闰相祯．虚拟样机技术及其在国内的应用前景[J]．机械2003年第2期．
[10]李瑞涛，方媚，张文明．虚拟样机技术的概念及应用[J]．机电一体化．2000年第5期．
[11]赵洪伦，徐祖茂等．转向架CAD集成系统的研究[J]．铁道车辆．1997年1月第期．
[12]闰雪冬，孙首奇．客车方案设计与结构分析集成化系统的开发[J]．铁道车辆．1993，(10)，32．
[13]吴辛春．客车结构分析系统前处理程序的研制[J]．铁道车辆．1992，(4)：15．
[14]刘盛勋，赵邦华．车辆设计参考手册—转向架[M]．北京：中国铁道出版社，1998
[15]陆海英．B型城市轨道交通车辆转向架设计研究铁道车辆[J]．第41卷第6期2003年6月
[16]黄正江．车辆CAD系统简介[J]．铁道车辆．1992，(4)：38．
[17]KORTUMW and SSHARPR. A Report on the State-of-Affairs on"Application of Muitibody ComputerCodes to Vehicle System Dynamics", Vehicle SystemDynam ics, July, 20, 1991.
[18]赵洪伦，徐祖茂，周劲松．铁道车辆转向架CAD研究的几个问题探讨[J]．95中国铁路机械CAD／CAE／CAM技术交流会，1995．
[19]创新引领SolidWorks．CAD／CAM与制造业信息化[J]．2002．000(007)．-28-28
[20]彭维，叶修梓，陈志杨．国际CAD产业格局与新兴的CAD技术公司[J]．计算机辅助设计与图形学学报．2003．015(010)．-1200-1206
[21]刘向阳，丁峻吕．Solid Works软件的几个特点[J]．机械设计与制造．2001．2
[22]杨武．基于面向对象技术的钢结构节点设计系统的研究与开发[硕士学位论文]，武汉：武汉科技大学．
[23]http://www.solidworks.com/pages/services/APISupport.html
[24]王晓阳．SolidWorks在产品设计中的应用及二次开发的策略[J]．机械研究与应用．1999，4(12)，41～44．
[25]王文斌，赵洪伦．运用CAD技术进行铁道车辆模块化设计的研究[J]．铁道车辆．第37卷第5期1999年5月．
[26]赵静，贾建援等．虚拟产品的参数化设计与研究[J]．电子机械工程．2003．019(002)．23-27
[27]R. A. Light, Variational Geometry:Modification of Part Geometry by Changing Dimensional Values,in Proceedings of Conference on CAD/CAM Technology in Mechanical Engineering, MIT, March, 1982.
[28]Glenn,A.Kramer.Ageo metric constraint engine.Artificial Intelligence,1992,58:327-360
[29]Nami Kin, et al. Geometrical constraint solving based on the extended Boltzmann machine. Computers on Industry, 1992,19:239-250
[30]Suzuki H., Kimura F., A geometric reasoning system for mechanical product design,computer applications in production and engineering,eds. Kimura F, Rolstads,
[31]杨岳，罗意平．CAD／CAM原理与实践[M]．中国铁道出版社，2002
[32]单泉．铁道机车车辆虚拟样机系统研究[硕士学位论文]，大连：大连铁道学院．
[33]李志刚，纪玉波等．数据访问新技术—UDA[J]．计算机与现代化．1999年第5期．
[34]樊亚栋．数据访问技术ADO及应用[J]．运城学院学报．第21卷第3期2003年6月．
[35]夏小彬，严小卫．微软数据访问技术综述[J]．计算机应用研究．2001年
[36]夏云庆．Visual C++6.0数据库高级编程[M]．北京希望电子出版社，2002年
[37]David J Kruglinski等Visual C++6.0技术内幕(第五版)[M]．北京希望电子出版社，1999．5．
[38]李存荣，彭华，郭顺生，杨明忠．基于SolidWorks的寄生式设计系统研究与开发[J]．机械设计与制造工程，2002，(1)：37～38
[39]涂小文，姜臻亮．基于COM的SolidWorks二次开发[J]．CAD／CAM与制造业信息化2002年12期．
[40]SolidWorks apihelp. SolidWorks corporation.2003
[41]王晓阳．SolidWorks在产品设计中的应用及二次开发的策略[J]．机械研究与应用．1999，4(12)，41～44
[42]余英，梁刚著．Visual C++实践与提高COM和COM+篇[M]．中国铁道出版社，2001．2
[43]陈岳坪等．用Visual C++开发SolidWorks的关键技术[J]．机械与电子，2002，2：18～21
[44]丁毓峰，盛步云，张进军等．用Visual C++6.0开发SolidWorks三维标准件库[J]．计算机工程．2000，26(7)
[45]江洪，李仲兴，刑启恩．SolidWorks二次开发基础与实例教程[M]．电子工业出版社，2003
[46][苏]JI．A．沙杜尔等著．苏宝瑛，张文笔等译．车辆构造理论与计算[M]．中国铁道出版社，1998．5
[47]李海龙，董金祥．基于约束的装配体技术[J]．计算机辅助设计与图形学学报．1997．009(003)．-249-255
[48]张冶，陈志英．基于装配约束关系的零部件参数化设计[J]．机械科学与技术(西安)．2003．022(005)．-710-712
[49][美]Donald Hearn，M．Pauline Baker著．蔡士杰，孙正兴等译．电子工业出版社．2002．5
[50]郭晓宁，褚金奎等．基于SolidWorks的平面连杆机构实体运动分析[J]．西安理工大学学报．2001．017(004)．-392-395
[51]李江峰，钟约先，李电生．STL文件缺陷分析及修补算法研究[J]．机械设计与制造．第二期，2002，04
[52]Jackie Neider,Tom Davis,Mason Woo.OpenGL Programming Guide[M]. Addison—Wesley
[53]吴斌，毕丽蕴．OpenGL编程实例与技巧[M]．人民邮电出版社，1999．12
[2]刘文剑，常伟，金天国等．CAD／CAM集成技术[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000
[3]赵红雁．CAD技术的发展趋势及其相关技术[J]．计算机辅助设计与制造，2001年12期．
[4]马铁利，兰凤崇．行为建模—第五代CAD建模技术[J]．计算机工程与应用，2002，7：98～100
[5]肖刚，李学志．机械CAD原理与实践[M]．清华大学出版社，1999
[6]严隽毫．车辆工程[M]．第二版．中国铁道出版社，1999
[7]田葆栓．铁道车辆制造业CAD技术的应用及发展[J]．铁道车辆．1997，35(5)：21-25
[8]陈伯雄．三维设计是CAD技术应用的必然趋势[J]．计算机辅助设计与制造，2000，(8)：11-13
[9]姜士湖，闰相祯．虚拟样机技术及其在国内的应用前景[J]．机械2003年第2期．
[10]李瑞涛，方媚，张文明．虚拟样机技术的概念及应用[J]．机电一体化．2000年第5期．
[11]赵洪伦，徐祖茂等．转向架CAD集成系统的研究[J]．铁道车辆．1997年1月第期．
[12]闰雪冬，孙首奇．客车方案设计与结构分析集成化系统的开发[J]．铁道车辆．1993，(10)，32．
[13]吴辛春．客车结构分析系统前处理程序的研制[J]．铁道车辆．1992，(4)：15．
[14]刘盛勋，赵邦华．车辆设计参考手册—转向架[M]．北京：中国铁道出版社，1998
[15]陆海英．B型城市轨道交通车辆转向架设计研究铁道车辆[J]．第41卷第6期2003年6月
[16]黄正江．车辆CAD系统简介[J]．铁道车辆．1992，(4)：38．
[17]KORTUMW and SSHARPR. A Report on the State-of-Affairs on"Application of Muitibody ComputerCodes to Vehicle System Dynamics", Vehicle SystemDynam ics, July, 20, 1991.
[18]赵洪伦，徐祖茂，周劲松．铁道车辆转向架CAD研究的几个问题探讨[J]．95中国铁路机械CAD／CAE／CAM技术交流会，1995．
[19]创新引领SolidWorks．CAD／CAM与制造业信息化[J]．2002．000(007)．-28-28
[20]彭维，叶修梓，陈志杨．国际CAD产业格局与新兴的CAD技术公司[J]．计算机辅助设计与图形学学报．2003．015(010)．-1200-1206
[21]刘向阳，丁峻吕．Solid Works软件的几个特点[J]．机械设计与制造．2001．2
[22]杨武．基于面向对象技术的钢结构节点设计系统的研究与开发[硕士学位论文]，武汉：武汉科技大学．
[23]http://www.solidworks.com/pages/services/APISupport.html
[24]王晓阳．SolidWorks在产品设计中的应用及二次开发的策略[J]．机械研究与应用．1999，4(12)，41～44．
[25]王文斌，赵洪伦．运用CAD技术进行铁道车辆模块化设计的研究[J]．铁道车辆．第37卷第5期1999年5月．
[26]赵静，贾建援等．虚拟产品的参数化设计与研究[J]．电子机械工程．2003．019(002)．23-27
[27]R. A. Light, Variational Geometry:Modification of Part Geometry by Changing Dimensional Values,in Proceedings of Conference on CAD/CAM Technology in Mechanical Engineering, MIT, March, 1982.
[28]Glenn,A.Kramer.Ageo metric constraint engine.Artificial Intelligence,1992,58:327-360
[29]Nami Kin, et al. Geometrical constraint solving based on the extended Boltzmann machine. Computers on Industry, 1992,19:239-250
[30]Suzuki H., Kimura F., A geometric reasoning system for mechanical product design,computer applications in production and engineering,eds. Kimura F, Rolstads,
[31]杨岳，罗意平．CAD／CAM原理与实践[M]．中国铁道出版社，2002
[32]单泉．铁道机车车辆虚拟样机系统研究[硕士学位论文]，大连：大连铁道学院．
[33]李志刚，纪玉波等．数据访问新技术—UDA[J]．计算机与现代化．1999年第5期．
[34]樊亚栋．数据访问技术ADO及应用[J]．运城学院学报．第21卷第3期2003年6月．
[35]夏小彬，严小卫．微软数据访问技术综述[J]．计算机应用研究．2001年
[36]夏云庆．Visual C++6.0数据库高级编程[M]．北京希望电子出版社，2002年
[37]David J Kruglinski等Visual C++6.0技术内幕(第五版)[M]．北京希望电子出版社，1999．5．
[38]李存荣，彭华，郭顺生，杨明忠．基于SolidWorks的寄生式设计系统研究与开发[J]．机械设计与制造工程，2002，(1)：37～38
[39]涂小文，姜臻亮．基于COM的SolidWorks二次开发[J]．CAD／CAM与制造业信息化2002年12期．
[40]SolidWorks apihelp. SolidWorks corporation.2003
[41]王晓阳．SolidWorks在产品设计中的应用及二次开发的策略[J]．机械研究与应用．1999，4(12)，41～44
[42]余英，梁刚著．Visual C++实践与提高COM和COM+篇[M]．中国铁道出版社，2001．2
[43]陈岳坪等．用Visual C++开发SolidWorks的关键技术[J]．机械与电子，2002，2：18～21
[44]丁毓峰，盛步云，张进军等．用Visual C++6.0开发SolidWorks三维标准件库[J]．计算机工程．2000，26(7)
[45]江洪，李仲兴，刑启恩．SolidWorks二次开发基础与实例教程[M]．电子工业出版社，2003
[46][苏]JI．A．沙杜尔等著．苏宝瑛，张文笔等译．车辆构造理论与计算[M]．中国铁道出版社，1998．5
[47]李海龙，董金祥．基于约束的装配体技术[J]．计算机辅助设计与图形学学报．1997．009(003)．-249-255
[48]张冶，陈志英．基于装配约束关系的零部件参数化设计[J]．机械科学与技术(西安)．2003．022(005)．-710-712
[49][美]Donald Hearn，M．Pauline Baker著．蔡士杰，孙正兴等译．电子工业出版社．2002．5
[50]郭晓宁，褚金奎等．基于SolidWorks的平面连杆机构实体运动分析[J]．西安理工大学学报．2001．017(004)．-392-395
[51]李江峰，钟约先，李电生．STL文件缺陷分析及修补算法研究[J]．机械设计与制造．第二期，2002，04
[52]Jackie Neider,Tom Davis,Mason Woo.OpenGL Programming Guide[M]. Addison—Wesley
[53]吴斌，毕丽蕴．OpenGL编程实例与技巧[M]．人民邮电出版社，1999．12