基于SolidWorks二次开发的动车组弹簧参数化设计

李振华+商跃进++王红

摘要： 为改进弹簧类零件的原始建模方法，提高设计效率，采用VB为二次开发工具，研究在SolidWorks环境下动车组轴箱弹簧参数化建模的方法.以CRH 2轴箱弹簧为例，完成其CAD自动建模和CAE自动分析.结果表明：该方法建模准确且快速，且计算分析结果与试验结果基本一致.

关键词：

CRH 2； 轴箱弹簧； 参数化建模； 二次开发； CAE

中图分类号： U272.041文献标志码： B

0引言

弹簧是工业中最常用的零件之一，具有夹紧、减振、复位和调节等多种功能，其中圆柱螺旋弹簧是最为常见的一种，其对铁路车辆运行的平稳性、曲线通过能力以及保证车辆安全运行起重要作用.

1参数化设计

1.1参数化设计的概念

参数化设计即通过参数、关系和参照元素的方法把部件设计意图融入到模型里，以约束造型为核心，以尺寸驱动为特征，允许设计人员进行草图设计，勾画出设计轮廓，然后输入精确尺寸值完成最终的设计.参数化设计技术使得设计者可以通过设计参数来驱动产品零件的几何模型.

1.2机车车辆零部件的参数化设计现状

目前，国内专家学者对机车车辆零部件的参数化设计方法进行一些研究，如陈德强等提出铁路货车弹簧组的参数化设计系统研发，陈建等提出机车车轴参数化设计研究等.研究人员主要采用三维模型与程序控制相结合的方式，建立零件的参数化模型库供用户调用，利用VB和C++等编程语言以及可视化界面技术，设计方便的人机交互界面实现机械零件的参数化CAD系统.

上述方法建立的模型库并不能满足不同用户对不同模型的要求，并且其建立的参数化系统大多是对零件进行CAD建模，或是自动生成工程图，而对参数化建模后零件的CAE分析没有实现自动化.本文针对这一问题，在SolidWorks平台中，利用VB进行二次开发，建立动车组弹簧的参数化设计系统，该系统能够根据用户输入的参数驱动模型重新建模，不仅实现零件的参数化建模，而且完成零件的CAE自动分析，显著提高设计效率.

1.3VB开发Solidworks的方法和流程

通过编写VB程序对SolidWorks软件进行二次开发，流程图见图1.首先在SolidWorks中实现对模版零件的CAD造型和CAE分析；然后使用VB编制应用程序界面；最后编译程序并生成可执行程序供SolidWorks程序调用.当进行零件设计时，设计者通过应用程序界面录入初始参数，使用SolidWorks的API函数完成参数化驱动，实现模型的CAD建模与CAE分析.

2动车组弹簧参数化设计

2.1确定基本参数

圆柱螺旋弹簧的结构见图2，主要参数之间的关系如下.

螺旋线的节距t=πDtan α（1）

螺旋线的曲率半径ρ=D2cos2α（2）

弹簧的刚度Kv=Gd8nm3=Gd48nD3（3）

弹簧的挠度fv=8Pvm3nGd=PvKv（4）

弹簧的应力τmax=8PmaxDCπd3≤[τ] （5）

弹簧全压缩高度Hmin=（n+1）d （6）

式中：α为弹簧的螺旋角；D为弹簧中径，即弹簧内外径的平均值；d为簧条直径；G为剪切弹性模数；Pv为作用于弹簧上的垂向静载荷；m为弹簧指数，m=D/d；C为应力修正系数；Pmax为作用于弹簧上的最大垂向载荷；Hmin为弹簧圈全压缩高度，即弹簧在全压死状态下的高；n为弹簧有效圈数.

由以上各式可以看出，弹簧中径D，簧条直径d，自由高度H0和有效圈数n决定弹簧的几何结构与性能，这4个关键参数可以确定弹簧的基本结构，而其他参数均由关键参数计算得到，为导出参数.因此，将D，d，H0和n定为参数化设计的基本参数.

2.2动车组弹簧CAD建模和CAE分析

采用三段直线法完成弹簧的CAD建模，其造型过程为：先绘制3条首尾相连的螺旋线，并将其组合为一条螺旋线，再绘制簧条圆，然后利用扫描特征创建弹簧基体，最后利用拉伸切除特征创建支撑圈.

模版弹簧的CAD建模完成后，利用SolidWorks软件中的Simulation模块对生成的弹簧进行刚度计算，将弹簧的下支撑圈固定，在上支撑圈施加单位位移，所得固定端支反力即为弹簧刚度.

2.3动车组弹簧参数化设计的关键技术

通过编写VB程序对SolidWorks软件进行二次开发，其关键步骤如下.

1）在SolidWorks中实现对模版零件（本文以CRH 2外簧为模版）的造型，以特定的文件名（如后缀为SLDPRT，SLDDRW和SWP）保存到指定文件夹.

2）用SolidWorks中的宏命令，把建模的全过程录制成宏文件，找出宏文件中与模型生成有关的关键函数，即模型的基本参数.弄清基本参数的变化对实体建模的影响，将模型的基本参数用变量代替，建立SolidWorks中的动车组弹簧参数化模型.

3）使用VB编制应用程序界面，编译程序并生成可执行程序供SolidWorks程序调用.

4）完成可执行应用程序后，使用SolidWorks API函数完成参数化驱动，实现模型的建立.

3参数化设计系统开发

3.1设计界面

在绘制窗体前首先修改圆柱螺旋弹簧零件模型的特征尺寸，SolidWorks会自动为标注的尺寸命名，并且不同特征的尺寸名称可以重复，如

D1，D2，D3等，但是这种名称极不规则，没有明确的意义，并且可以被多个特征尺寸共用，容易混乱.由于这些特征尺寸是定义变量参数，为在编写程序文件时方便，应该按照一定的规则为变量参数重新命名，并且名称应尽量接近国标中规定的尺寸名称，如d，D和n等.

弹簧参数化设计的VB界面见图3，在窗体上绘制标签和文本框等对象，并进行赋值或调用模型中对应的参数.

3.2编写VB程序代码

设置窗体及控件的属性之后编写如下代码.

Private Sub CmdOK_Click（）

MDiameterValue = Val（TxtMD.Text） / 1000

TDiameterValue = Val（TxtTd.Text） / 1000

nValue = Val（Txtn.Text）

HValue= Val（Txtfmax.Text） / 1000

Call ParameterSub（MDiameterValue， TDiameterValue， nValue， HValue）‘调用更新函数

End Sub

4设计实例

本系统模版模型采用CRH 2轴箱弹簧外簧，其主要参数见表1.在图3的设计界面中输入相应数据，单击图3窗体界面的“实体建模”按钮通过驱动程序生成所需的弹簧模型，并单击Simulation模块下的刚度算例的运行按钮，自动进行CAE分析，返回给用户.运行程序得到的实体模型和计算结果见图4，刚度计算结果见表2.自动分析出的结果和试验数据、计算数据均相接近.

5结束语

利用VB对SolidWorks软件进行二次开发，实现高速动车组轴箱弹簧三维几何模型的参数化设计.参数化建模完成后，当再设计弹簧时，可直接调用已有的弹簧设计宏程序，修改相应参数即可快速准确地绘制弹簧并自动计算其刚度.为螺旋类零件的三维实体参数化建模提供一种有效的方法，在企业生产中具有较大的推广价值.

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（编辑武晓英）