參數(shù)化變型技術(shù)在半掛車配件車鈾系統(tǒng)中的應(yīng)用

2025China.cn 2009年03月10日

過去，我國在半掛車車軸部件的國產(chǎn)化方面，往往只注意到產(chǎn)品自身的幾何形狀、尺寸公差等，缺乏產(chǎn)品理念、運行實況、加工環(huán)境、材質(zhì)狀態(tài)等方面集成的考慮方式，造成了一些國產(chǎn)化試制過程的失誤。半掛車車軸是車體上較復(fù)雜的關(guān)鍵件，必須滿足多方面的性能要求，遵循一些法規(guī)和公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)要求。以某企業(yè)半掛車配件有限公司車軸系列產(chǎn)品而言，目前該企業(yè)在高速發(fā)展的過程中，產(chǎn)品市場訂單很多，不同用戶對產(chǎn)品的需求不同，型號、規(guī)格多種多樣，產(chǎn)品研發(fā)能力跟不上。在產(chǎn)品開發(fā)工作中，由于缺乏先進(jìn)技術(shù)手段的應(yīng)用，導(dǎo)致圖紙設(shè)計工作量大、重復(fù)勞動多、研發(fā)周期長，設(shè)計主要依靠設(shè)計人員的經(jīng)驗，缺乏科學(xué)的分析計算和優(yōu)化，設(shè)計錯誤經(jīng)常導(dǎo)致制造過程中圖紙修改，造成廢品、返工等不必要的損失。我國在此領(lǐng)域的研究與開發(fā)水平與有關(guān)發(fā)達(dá)國家相比尚有很大差距，急需在半掛車配套關(guān)鍵零部件(如車袖、支承、懸架、牽引座和牽引銷等)設(shè)計制造方面開展科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)工作，提升我國在半掛車配件設(shè)計與制造方面的技術(shù)水平。

就目前來說，該企業(yè)車軸系列的設(shè)計方法依然停留在人工計算上，因此導(dǎo)致設(shè)計的精度和效率大為降低。車軸設(shè)計是一個經(jīng)驗性很強的行業(yè)，設(shè)計人員在長期工作中積累的經(jīng)驗與知識對車軸設(shè)計過程起著十分重要的影響。盡管CAX技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，但目前CAX技術(shù)大部分還停留在計算機輔助層次，難以勝任對產(chǎn)品開發(fā)的CAX技術(shù)提升到智能設(shè)計層次，實現(xiàn)這一飛躍可以通過人工智能和工程領(lǐng)域知識，構(gòu)建自動設(shè)計( Knowledge Based Engineering，KBE) 系統(tǒng)來達(dá)到。本文通過對計算機輔助車軸設(shè)計軟件的開發(fā)，將參數(shù)變型設(shè)計技術(shù)融于自動設(shè)計建模過程中，基于該模型建立了一種自動裝配系統(tǒng)框架。在描述和分析該框架的基礎(chǔ)上，給出了一個原型系統(tǒng)，并敘述了其實施過程。

1 參數(shù)化變型設(shè)計基本原理

變型設(shè)計是在不破壞原設(shè)計的基本原理和基本結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，選取相似實例，對此相似實例進(jìn)行修改和完善。當(dāng)進(jìn)行變型設(shè)計時，首先將用戶要求或設(shè)計任務(wù)分解，得到產(chǎn)品的基本功能原理和基本性能參數(shù)。依照-定的算法，把這些基本性能參數(shù)與事物特性表中的參數(shù)相匹配，從實例庫中搜索出最相似的實例。提取此相似實例，參照優(yōu)化計算的結(jié)果，在此基礎(chǔ)上按照用戶的要求進(jìn)行實例的修改。

在修改的過程中，可能是簡單的零部件局部的尺寸修改，而結(jié)構(gòu)完全一樣，這屬于產(chǎn)品規(guī)格的變化，可以通過參數(shù)化的零件模型來實現(xiàn)也有可能是產(chǎn)品型號的改變，這時候產(chǎn)品始結(jié)構(gòu)發(fā)生了局部的變化，同時尺寸也有可能發(fā)生變化，這就要通過零件實側(cè)的穩(wěn)互組合來實現(xiàn)。當(dāng)改變某個零件的結(jié)構(gòu)形式或幾何尺寸時，由于零件與零件之間不但有尺寸聯(lián)接關(guān)系，而且都存在隱性的裝配約束關(guān)系(包括位置關(guān)系，聯(lián)接關(guān)系，運動關(guān)系等)，所以整個裝配體也隨零部件的變化發(fā)生指應(yīng)的變化，而此時裝配模型并沒有被破壞。

在變型過程中，首先要兼顧裝配模型的基本裝配關(guān)系和裝配約束，同時對修改后的裝配體進(jìn)行裝配性能的分析，基于提醒規(guī)則和知識進(jìn)行推理，對裝配性能做出判斷和決策。必要時進(jìn)行人機交互，通過裝配模型的自學(xué)習(xí)功能使規(guī)則和知識不斷完善，最后得到變型結(jié)果。在進(jìn)行裝配性能分析時，可能產(chǎn)生一些新的規(guī)則和知識，應(yīng)將這些新規(guī)則存入裝配規(guī)則庫和知識庫中，由于變型過程中也有可能產(chǎn)生一些新約裝配關(guān)系秘裝配約束，所以裝配模罵道會不斷更新，下次變型時參照的將是新的裝配模型。變型結(jié)果也應(yīng)該以新的實例符入實例庫。

半掛車車軸參數(shù)化變型設(shè)計系統(tǒng)是專門針對半掛車車軸而開發(fā)的一種實現(xiàn)裝配圖參數(shù)化變型設(shè)計的軟件。軟件通過語言編程來建立半掛車車軸零件之間的裝配約束，企業(yè)只需要根據(jù)客戶需要輸入必要的參數(shù)，就可以通過該軟件驅(qū)動圖形，最終變型后裝配圖輸出到CAD界面，通過打印設(shè)備即可出工程圖指導(dǎo)工作實際。當(dāng)然，在軟件開發(fā)之前，要對其進(jìn)行成本效益、市場需求、生產(chǎn)規(guī)模和費用估計，以及可行性分析。變型過程中依據(jù)的整個產(chǎn)品模型也是一個動態(tài)的模型。半掛車車軸參數(shù)化變型設(shè)計軟件建摸過程，如圖l所示。

2 車軸參數(shù)化變型自動設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 設(shè)計系統(tǒng)研制過程

在車軸參數(shù)化變型設(shè)計軟件的研制過程中，首先主要了解和分析用戶的問題，以及經(jīng)濟、技術(shù)和時間等方面的可行性。然后將用戶的需求規(guī)范化、形式化，編寫成需求說明書及初步的系統(tǒng)用戶手冊，

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

提交評審將軟件需求設(shè)計為軟件過程描述，即設(shè)計人員將確定的各項需求轉(zhuǎn)化成一個相應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的每一組成部分都是意義明確的模塊，每個模塊都與某些需求將對應(yīng)。編輯代碼，就是把過理描述編輯成機器可執(zhí)行的代碼。測試目的是發(fā)現(xiàn)錯誤，進(jìn)行改正。維護主要包括故障的排斥以及為適應(yīng)使用環(huán)境的變化和用戶對軟件提出新的要求所作的更改?？紤]用戶使用本系統(tǒng)的便捷與高效，本次開發(fā)過程中，經(jīng)過多次調(diào)試與修改，最終采用圖2的系統(tǒng)功能摸塊。

2.2 半掛車車軸力學(xué)模型

工程上常用的塑性材料，除低碳鋼外，還有中碳鋼、某些高碳鋼和合金鋼、鋁合金、青銅、黃鋼等。其中有些材抖，如16Mn鋼，和低碳鋼一樣，有明顯的彈性階段、屈服階段、強化階段和局部變形階段。有些材料，如1黃銅H62，沒有屈服階段，但其他三個階段很明顯。還有些材料，如高碳鋼Y10A，沒有屈服階段和局部變形階段，只有彈性階段和強化階段，在工程實際中，常見的彎曲應(yīng)力問題多為橫力彎曲，純彎曲情況很少。且和掛車車軸在工作過程中主要受到車體的壓力和剎車是摩擦片抱軸時的扭矩。而車軸部件的薄弱點在軸頭的焊接處，此處容易在工作過程中被撕裂。因此此處的校核，是設(shè)計過程的重點同時也是難點，參數(shù)化變型設(shè)計不但要滿足結(jié)構(gòu)合理同樣要滿足剛度和強度要求。因此在開發(fā)半掛車車軸參數(shù)化變型系統(tǒng)前，簡要考慮軸的受力強度校核。

車軸在工作的始過程中一般要受到扭曲力、各種沖擊和振動，但最主要的是車體本身以及車的載重

圖2 半掛車車軸參數(shù)化變型設(shè)計主要功能模塊

作用在軸上的合力。機械振動影響各種機械的工作性能，導(dǎo)政結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，危害機器的安全運行及產(chǎn)生噪聲。半掛車車軸在工作過程中會受到各種隨機的振動和沖擊。車軸的力學(xué)分析部分適用于按許用彎曲應(yīng)力法計算出軸的軸徑、軸承個數(shù)（支承點個數(shù)）等。如需進(jìn)行其它設(shè)備產(chǎn)品校核可對程序校核部分稍加修改并預(yù)留二次開發(fā)接口。部分代碼如下：

T = 9550000*P/n1

Ft = 2*T/ d1 //圓周力

Fr = Ft*Tan (20*3.1415926 /180)/COS

(beta) //徑向力

Fa = Ft*Tan(beta) //軸向力

Dim Mbl As Double //各點彎矩

Dim Mb2 As Double

Dim Mc As Double

Mbl= Sqr(Mhbl*Mhb1+Mvb*Mvb)

Mb2= Sqr(Mhb2*Mhb2+Mvb*Mvb)

Mc= Sqr(Mhc*Mhc+Mv*Mvc)

Form4. Text9. Text = Mbl

Form4. Text10. Text = Mb2

Form4. Text11. Text = Mc

數(shù)據(jù)庫的定義和自動調(diào)用的部分程序代碼如下：

Privat Sub Combol _Click（）

sql = "select*from jcl where 軸材料的強度極限="+ + ",

Adodcl. RecordSource=sq1

Adodcl. Refresh

With Adodcl. Recordset

If. RecordCount> 0 Then

Text11. Text = Fields ( "對稱循環(huán)許用彎曲應(yīng)力")

Text12. Text = Fields(" 脈動錨環(huán)許用彎曲應(yīng)力" )

End If

End With

End Sub

Adodcl. RecordSource = "select*from jcl"

Adodcl. Refresh

rs = "select 軸材料的強度極釀from jc1 "

Adodel. ReeordSource = rs

Adodcl. Refresh

Combol. Addltem (Trim (Adodcl. RecordsetFields( "軸材料的強度極限")

圖3 車軸參數(shù)化變型設(shè)計交互式操作

3 實例應(yīng)用

基于參數(shù)化變型設(shè)計技術(shù)，以某型號車軸為研究對象，設(shè)計了一個自動設(shè)計系統(tǒng)?；具^程是:當(dāng)用戶輸入正確的用戶名和密碼后，可進(jìn)入變型設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行操作。進(jìn)入?yún)?shù)維護界面，可調(diào)入或輸入各種參數(shù)，也可以進(jìn)行維護、修改等操作。應(yīng)注意不要輸入不符合實際要求的參數(shù)，否則，無法進(jìn)行變型設(shè)計(系統(tǒng)會提示相關(guān)信息) 。如圖3所示。當(dāng)正確輸入完所有相關(guān)參數(shù)后，點擊圖中"確定"按鈕，系統(tǒng)進(jìn)行運算后，將進(jìn)入車軸力學(xué)分析界面，如圖4 所示，同時在程序中進(jìn)行材料、優(yōu)化計算，將車軸模型實例化，就得到一個車軸實例。用戶發(fā)現(xiàn)車軸變型設(shè)計并不理想，可重新"返回"操作。圖5和圖6可以直觀感受到參數(shù)化變型的實際應(yīng)用。圖5是企業(yè)目前產(chǎn)品的一種規(guī)格，而圖6是通過本軟件參數(shù)化變型后輸出的一種新的規(guī)格尺寸的產(chǎn)品。