s t e e lw h e e la n d r o l l i n gd i ep a r a m e t r i cd e s i g nb a s e d o nd i m e n s i o n d r i v e n b y l ig u a n g m i n g u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f w a n gy u z e n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n s h a n d o n g er c h i n a m a y2 8 2 0 1 1 原創性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的學位論文 是本人在導師的指導 下 獨立進行研究所取得的成果 除文中已經注明引用的內容 外 本論文不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫過的科 研成果 對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體 均已在文 中以明確方式標明 本人完全意識到本聲明的法律責任由本人 承擔 論文作者簽名 豸2 蛸 e l期 關于學位論文使用授權的聲明 本人完全了解濟南大學有關保留 使用學位論文的規定 同意學校保留或向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電 子版 允許論文被查閱和借鑒 本人授權濟南大學可以將學位 論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索 可以采用影 印 縮印或其他復制手段保存論文和匯編本學位論文 口公開口保密 年 解密后應遵守此規定 論文作者簽名 黿參 罵乳導師簽名 域日期 乙型出 7 濟南大學碩七學位論文 目錄 摘j i j e i a b s l r a c t i i i 第一章緒論 i 1 1 研究背景 1 1 2 國內外研究現狀 3 1 3 本課題的主要研究內容 5 第二章參數化設計理論及系統關鍵技術 7 2 1 參數化設計概述 7 2 1 1 基于尺寸驅動的參數化建模 8 2 1 2 變量幾何法 8 2 1 3 基于特征的參數化建模 1 0 2 2 基于s o l i d w o r k s 的參數化建模技術 1 0 2 2 1 基于特征的建模技術 1 l 2 2 2 基于約束的建模技術 1 2 2 2 3 基于尺寸驅動的建模技術 1 2 2 2 4 實體模型 13 2 2 5 單一數據庫 1 3 2 3 圖形參數化編程的原理 1 4 2 3 1 圖形參數化編程的特點 1 4 2 3 2 圖形參數化編程的方法 1 5 2 4s o l i d w o r k s 的二次開發 1 6 2 3 1v c 開發s o l i d w o r k s 的方法 1 7 2 3 2v b 開發s o l i d w o r k s 的方法 1 7 2 3 3s o l i d w o r k sa p i 體系 1 8 2 5a c c e s s 數據庫技術 2 1 基于尺寸驅動法的鋼制車輪及滾壓模具參數化設計 2 5 1a d o 數據庫訪問技術 2 1 2 5 2a d o 對象模型 2 1 2 5 3a d o 訪問a c c e s s 數據庫 2 3 2 6 本章小結 2 4 第三章鋼制車輪的成形研究 2 5 3 1 輪輞的滾壓成形原則 2 5 3 1 1 三次滾壓成形原則 2 6 3 1 2 輪輞成形過程中的變形分析 2 7 3 2 輪輞工序的設計 2 9 3 2 1 三滾工序設計 3 0 3 2 2 二滾工序設計 3 0 3 2 3 一滾工序設計 3l 3 3 輪輞滾壓模具的設計原則 3 2 3 4 輪輻的滾壓成形及模具設計 3 3 3 5 本章小結 3 4 第四章鋼制車輪及模具參數化系統的開發 3 5 4 1 系統的總體結構 3 5 4 2 系統的具體開發 3 6 4 2 1 輪輞參數化模型的建立 3 6 4 2 1 用c 撐語言對s o l i d w o r k s 進行二次開發 3 8 4 3 輪輞模具的設計 4 5 4 4 本章小結 4 7 第五章系統運行示例 4 9 5 1 插件程序的加載 4 9 5 2 輪輞的參數化設計 4 9 5 3 輪輻的參數化設計 5 3 濟南大學碩士學位論文 5 4 輪輞滾壓模具的設計 5 3 5 5 本章小結 5 5 第六章結論與展望 5 7 6 1 結論 5 7 6 2 展望 5 8 參考文獻 5 9 致謝 6 3 附錄 6 5 一 在校期間發表的學術論文 6 5 二 在校期間參加的項目 6 5 i 基于尺寸驅動法的鋼制車輪及滾壓模具參數化設計 i v 濟南大學碩士學位論文 摘要 進入二十一世紀 隨著我國汽車工業的快速發展 如何高質量 高效率地完 成汽車零部件的模具設計已經成為汽車生產行業的重要研究方向之一 車輪是車 輛的重要的基礎零部件之一 如何快速的設計出符合客戶要求的車輪 已成為車 輪生產企業面臨的重大挑戰 本文以參數化設計理論為基礎 通過研究車輪中輪輞的結構和加工中的變形 規律 將參數化設計理論與輪輞的設計結合在一起 開發了輪輞模具的參數化設 計系統 首先研究了現有的相關理論和技術 選擇了合適的二次開發工具 開發 語言和數據庫技術等 對車輪及模具的參數化設計系統的框架進行了設計 重點 研究了s o l i d w o r k s 軟件的參數化設計及二次開發的方法 輪輞加工中的變形規 律 結合前人提出的輪輞滾壓成形中的體積不變原則和等間隙原則 提出了輪輞 滾壓成形中的分段體積相等原則 使輪輞的加工精度進一步的提高 接著研究輪 輞工序圖設計的具體原則 最后結合上面的研究 對系統進行了具體的實現 完 成了輪輞工序設計 輪輞模具圖紙設計 輪輻模具的選擇和系統的維護功能 根據系統的要求構建了系統的整體框架和各個功能模塊 系統的圖形開發平 臺為s o l i d w o r k s 2 0 0 9 二次開發的語言平臺為c 撐 通過c 撐語言對s o l i d w o r k s 軟件的二次開發實現系統的參數化設計的要求 系統的數據存儲采用a c c e s s 數 據庫 數據訪問使用a d o n e t 技術 系統在設計在完全采用面向對象的程序設 計方法 這種方法能夠直接反映問題域的本來面目 具有極大的可擴展性和可維 護性 節省了開發時間的同時減輕了日后維護的工作量 輪輞的三次滾形工藝的設計按照變形前后總體積不變原則 變形發生在局部 原則和變形前后的等間隙原則進行 其滾壓模具設計按照第一次滾形時生成輪輞 的中心 第二次滾形時生成輪輞的形狀 第三次滾形時生成輪輞的準確尺寸的原 則 本文對三次滾形中輪輞的變形進行了研究 將輪輞分成三部分 左輪緣部分 槽底部分和右輪緣部分 提出了分段體積不變的原則 這樣既保證了輪輞變形前 后總體積不變的大原則 又提高了輪輞設計的精度 最后以g b t 3 4 8 4 2 0 0 5 中的 1 5 度深槽輪輞為例 具體說明了輪輞在三次滾壓過程中是如何遵循以上各原則 基于尺寸驅動法的鋼制車輪及滾壓模具參數化設計 的 在系統的具體實現中 主要研究了如何用c 語占對s o l i d w o r k s 進行二次開 發 如何開發符合s o l i d w o r k s 風格的帶有屬性頁 p r o p e r t ym a n a g e r p a g e 插件 程序 向屬性頁中加入如標簽 文本框 選擇框 按鈕等控件的方法 以及用戶 觸發這些控件時s o l i d w o r k s 程序如何做出響應 按照輪輞設計的變形前后總體 積不變原則和變形發生在局部原則 設計了參數化輪輞變形的具體算法 通過已 有g b t 3 4 8 7 2 0 0 5 中1 5 度深槽輪輞圖紙的驗證 證明了輪輞的分段體積不變的 算法是正確的 關鍵詞 參數化設計 車輪輪輞 s o l i d w o r k s 二次開發 模具設計 濟南大學碩士學位論文 a bs t r a c t e n t e r i n g t h et w e n t y f i r s t c e n t u r y 證t t l t h e r a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a s a u t o m o b i l ei n d u s t r y h o wt oc o m p l e t et h em o l dd e s i g no fa u t op a r t sh i g h q u a l i t ya n d e f f i c i e n t l yh a sb e c o m et h ei m p o r t a n tr e s e a r c hd i r e c t i o no fa u t o m o b i l ei n d u s t r y t h e w h e e li so n eo ft h ei m p o r t a n tb a s i cp a r t so fv e h i c l e s r a p i d l yd e s i g nt h ew h e e l st h a t m e e tc u s t o m e r sr e q u i r e m e n t sh a sb e c o m eam a j o rc h a l l e n g ew h i c hi st h ew h e e l m a n u f a c t u r e rf a c i n g t h i sp a p e rb a s e so np a r a m e t r i cd e s i g nt h e o r ya saf o u n d a t i o n t h r o u g ht h e r e s e a r c hd e f o r m a t i o nr u l e 析n l t h es t r u c t u r eo ft h ew h e e lr i ma n dp r o c e s s i n g p a r a m e t r i cd e s i g nt h e o r ya n df e l l o wd e s i g nw i l lb eu n i f yi nt o g e t h e r w ed e v e l o pr i m m o l dp a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e m f i r s t w es t u d yt h ee x i s t i n gr e l a t e dt h e o r ya n d t e c h n o l o g y a n dc h o o s et h er i g h ts e c o n dd e v e l o p m e n tt o o l s d e v e l o pl a n g u a g ea n d d a t a b a s et e c h n o l o g y e t c t h i sp a p e rd e s i g n st h ew h e e l sa n dm o l do fp a r a m e t r i c d e s i g ns y s t e mf r a m e w o r ka n dm o s t l yd e s i g n ss o l i dw o r k ss o f t w a r ep a r a m e t r i cd e s i g n a n dt h em e t h o ds e c o n dd e v e l o p m e n t t h ed e f o r m a t i o nl a wo fr i mp r o c e s s i n g c o m b i n i n gp r e v i o u sp r o p o s e dr i mo fr o l l i n gp l a s t i c i t yf o r m i n gp r i n c i p l ea n dv o l u m e i n v a r i a b l ys u c hg a p s a n dt h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h ep r i n c i p l eo fr o l l i n gp l a s t i c i t y f o r m i n gr i m ss u b s e c t i o nv o l u m ee q u a lp r i n c i p l eo f r i mf o rf u r t h e re n h a n c em a c h i n i n g a c c u r a c y s e c o n d w es t u d yt h es p e c i f i cd e s i g np r o c e s sg r a p hr i mp r i n c i p l ew h i c hi s b a s e do nt h ea b o v er e s e a r c h a n dt h e nw ei m p l e m e n tt h es y s t e m c o m p l e t i n gt h er i m p r o c e s sd e s i g n d e s i g n i n gr i mm o l dd r a w i n g c h o o s i n gt h es p o k e sm o l da n ds y s t e mo f m a i n t e n a n c ef u n c t i o n a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m w ec o n s t r u c tt h eo v e r a l lf r a m e w o r k o ft h e s y s t e m a n df u n c t i o nm o d u l e s t h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mo fg r a p hi s s o l i d w o r k s 2 0 0 9 a n dt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tp l a t f o r mo fl a n g u a g ei sc 群 o nt h e s e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fs o l i dw o r k ss o f t w a r e w eu s et h ec 撐l a n g u a g et oa c h i e v e t h er e q u i r e m e n to fs y s t e mp a r a m e t r i cd e s i g n t h ed a t as t o r a g es y s t e mi sa c c e s s m 基于尺寸驅動法的鋼制車輪及滾壓模具參數化設計 d a t a b a s e t h ew a yo fd a t aa c c e s si sa d o n e tt e c h n o l o g y o nt h ed e s i g no ft h es y s t e m w cf u l l yu s eo b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gm e t h o d w h i c hc a l ld i r e c t l yr e f l e c tt h et r u e f e a t u r e so ft h ep r o b l e md o m a i n i ta l s oh a sg r e a ts c a l a b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i t y a n di t c a l lr e d u c et h ed e v e l o p m e n tt i m ea n dt h ew o r kv o l u m eo fm a i n t e n a n c ei nt h ef u t u r e t h ed e s i g n so ft h er i mt h r e et i m e sr o l l so ff r a c t a lp r o c e s sa c c o r d i n gt ob e f o r ea n d a f t e rt h ed e f o r m a t i o no v e r a l lp r i n c i p l e s d e f o r m a t i o no c c u ri nl o c a lp r i n c i p l e sa n d d e f o r m a t i o nc l e a r a n c e t h em i l e rm o l dd e s i g na c c o r d i n gt ot h ef i r s tr o l lf o r m st h e c e n t e ro fg e n e r a t e dr i m s e c o n dr o l lf o r m st h es h a p e r i mg e n e r a t e dt h i r dr o l lf o r m s t h ea c c u r a t es i z eg e n e r a t e dr i mo f p r i n c i p l e t h i sp a p e rs t u d i e st h er o l ls h a p eo ft h r e e t i m e st h er i m sd e f o r m a t i o n t h er i mi sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s t h el e f tr i mp a r t g r o o v e b o t t o mp a r ta n dr i g h tr i m t h e nt h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h es u b s e c t i o np a r tt h e p r i n c i p l eo fv o l u m e t h i si s n o to n l ye n s u r i n gt h er i ma r o u n dt h eo v e r a l lp r o d u c t r e m a i n sd e f o r m a t i o np r i n c i p l e a n di ti m p r o v e st h ea c c u r a c yo fr i md e s i g n f i n a l l yw e t a k eg b t 3 4 8 415d e g r e e si n2 0 0 5a sa ne x a m p l e a n ds p e c i f yt h er i mi nt h r e er o l l i n g p r o c e s s i sh o wt of o l l o wa l lo ft h ep r i n c i p l e s i nt h es p e c i f i ci m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e m t h em a i np r o b l e mi sh o wt ou s ec 撐 l a n g u a g eo nt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fs o l i d w o r k s a n dh o wt od e v e l o p a p l u g i n sw h i c hc o n s i s t e n tt h es t y l eo fs o l i d w o r k sw i t hp r o p e r t yp a g e s w ep u tc o n t r o l w i d g e t s u c ha sl a b e l s t e x tb o x e s s e l e c tb o x e s b u t t o n sa n do t h e rc o n t r o lm e t h o d si n t o t h ep r o p e r t yp a g e s a n dw h a tt h er e f l e c t i o no fs o l i dw o r k sp r o g r a mi sw h e nu s e r s t o u c ho f ft h e s ec o n t r o lw i d g e t s a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l et h a tt h et o t a lv o l u m e so f t h er i mr e m a i nt h es a m eb e f o r ea n da f t e rc h a n g e d a n dt h ep r i n c i p l et h a td e f o r m a t i o n o c c u r r e di nt h ep o r t i o n w ed e s i g nas p e c i f i ca l g o r i t h mo fp a r a m e t r i cr i mp a r a m e t e r t h r o u g ht h ea u t h e n t i c a t i o no ft h e15d e g r e eg r o o v er i md r a w i n g sw h i c he x i s ti nt h e g b t3 4 8 7 2 0 0 5 i tp r o v e st h a tt h ea l g o r i t h mo fr i ms e g m e n ts i z er e m a i n su n c h a n g e d t h e o r yi sc o r r e c t k e yw o r d s p a r a m e t r i cd e s i g n w h e e lr i m s e c o n d a r yd e v e l o p m e n to f s o l i d w o r k s m o l dd e s i g n 濟南大學碩士學位論文 1 1 研究背景 第一章緒論弟一早殖了匕 進入二十一世紀 我國的汽車行業也進入了一個快速和全面發展的新時代 在國內外大量的需求條件下 我國的汽車行業蓬勃發展 獲得了舉世矚目的成就 從2 0 0 2 年到今 我國的汽車行業正在進行著爆發式的增長 特別是私人消 費的興起使汽車的需求量開始迅速的攀升 成為推動我國汽車行業發展的一股不 可忽視的力量 同時 我國在全球汽車產業中的地位也在逐步提高 以2 0 0 7 年 為例 我國的汽車需求量約為8 7 9 萬輛 在全球汽車市場中所占比例從2 0 0 1 年 的4 3 上升到2 0 0 7 年的1 2 2 2 0 0 8 年的前十一個月 我國汽車制造業實現累 計工業總產值達2 l 萬億 比上年同期相比增長了1 7 7 實現產品累計總收入 為2 0 萬億 與上年同期相比增長了1 9 1 1 2 0 0 9 年的前十一個月與2 0 0 8 年同 期相比制造業累計總產值與累計總收入分別增長了2 3 0 3 和5 2 7 5 2 0 0 9 年 中國市場共銷售整車1 3 6 0 萬輛 而此前世界上最大的汽車市場 美國僅銷售 了1 0 3 4 萬輛 中國已成為世界上最大的汽車銷售市場 1 1 汽車行業作為我國的國民經濟支柱產業的地位也變得越來越顯著 人們對汽 車的需求量伴隨著經濟條件的日益改善也在不斷的增加 市場需求的不斷擴大使 我國汽車工業的發展潛力得到了持續的提高 此外城市化進程的加快 公路里程 的增加及城市中相應基礎建設的日臻完善 都在加速我國汽車工業的快速 持續 發展 汽車工業的快速發展帶動了作為其工業基礎的汽車零部件的飛速發展 汽車 零部件行業成為名副其實的工業領頭羊之一 作為汽車工業基礎的零部件產業 是支撐汽車工業持續健康發展不可或缺的因素 特別是在當前汽車行業正在轟轟 烈烈 如火如荼的開展自主研發與創新的大背景下 更需要有一個強大的零部件 產業體系作為其支撐 車輪是車輛的重要零部件之一 其承受著車輛的垂直載荷 橫向力 驅動扭 基于尺寸驅動法的鋼制車輪及滾壓模具參數化設計 矩及行駛中的各種應力 所以車輪的質量與駕駛人員的生命直接相關 2 1 當前 在世界的汽車車輪中無論是載重汽車還是轎車汽車 所用的車輪材料主要分為兩 種 鋼材和鋁合金材料 在車輪制造中由這兩種材料制造的車輪約占全部車輪的 9 5 長期以來 汽車車輪主要為鋼制車輪 但從上世紀八十年代后 鋼制車輪 的市場份額逐步減少 轉而以鋁合金材料制造的車輪所代替 鋼制車輪所占市場 份額的下降因素是多方面的 外觀吸收力是主要的方面 鋼材的加工成型性能和 制造工藝決定了鋼制車輪很難做到與鋁合金車輪一樣的外觀和結構的多樣化 而 且 鋼制車輪質量大 制造和使用鋼制車輪時消耗的能量都比鋁合金車輪要大的 多 為了應對鋁合金車輪的滲透和挑戰 近年來國際鋼制車輪行業在制造鋼制車 輪的各方面進行了一系列的改革和創新 包括采用微合金材料鋼 雙目鋼等高強 度低重量的新型材料鋼和采用旋壓等新的生產工藝 不斷改進鋼制車輪的不足之 處 盡管如此 鋼制車輪與鋁合金車輪相比還是有低成本和安全性方面的優勢 因此 絕大部分的載重汽車的車輪是用鋼材制造的 預計未來五年 以中國為代 表的新興汽車消費國對汽車的需求量的不斷提升 將推動全球鋼制車輪的需求量 保持在4 5 左右的增速 預計到2 0 1 2 年時 全球鋼制車輪的需求量可達3 2 億 只 3 1 隨著汽車產量的持續增加及汽車制造行業制造水平的不斷提高 汽車車輪 生產行業間的競爭也將變得日益激烈 c a d c o m p u t e r a i d e dd e s i g n 即計算機輔助設計 產生于上世紀五十年代 后期 早期的c a d 技術主要用于二維的計算機輔助繪圖領域 近年來 隨著計 算機軟硬件技術的飛速發展和微型計算機的普及 極大的推動了c a d 技術的發 展 如今的c a d 不僅僅是計算機輔助繪圖 還包括自由曲面設計 有限元分析 機構仿真 參數化設計及變量化設計系統等 廣泛應用于航空航天 機械 建筑 電子 地質等領域 c a d 技術從誕生到現在共經歷了四個發展階段 第一階段為曲面造型階段 此階段為c a d 從誕生到2 0 世紀的7 0 年代 初期的c a d 系統是簡單的線框式 系統只能表達圖形的基本幾何信息關系 此時的c a d 系統只是簡單的繪圖工具 而已 到7 0 年代時 飛機和汽車工業的蓬勃發展使其在制造過程中遇到了大量 的自由曲面問題 這些問題的出現極大的推動了c a d 系統的發展 出現了以表 2 濟南大學碩士學位論文 面模型為特點的自由曲面建模方法c a t i a c o m p u t e r a i d e d t h l e e d i m e n s i o n a l i n t e r a c t i v e a p p l i c a t i o n 實現了計算機輔助設計系統從二維工程圖的簡單繪制到 三維完整表達零件信息系統的轉變 使計算機輔助設計系統具備了計算機輔助制 造 c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r i n gc a m 功能 至今9 0 的汽車制造商和幾乎所 有的飛機制造商仍在使用c a t i a 第二階段為實體造型階段 曲面模型解決了 c a m 的問題 但其無法準確表達零件的諸如質量 重心 慣性矩等特征 無法 實現c a e c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g 計算機輔助工程 為了解決這個問題 s d r c 公司在上世紀7 0 年代末開發出了第一個完整基于實體造型的大型c a d 軟 件b d e a s i n t e g r a t e dd e s i g na n de n g i n e e r i n g a n a l y s i ss o f t w a r e 極大的解決了 c a d c a m c a e 的統一表達 給設計者帶來了極大的方便性 第三階段為參 數化設計階段 參數化是基于特征的尺寸約束和尺寸驅動設計方法 最早的參數 化設計軟件是p t c 公司的p r o e 隨著參數化設計的日益成熟 使得眾多的通用 零件的設計變得簡單易行 第四階段為變量化設計階段 它繼承了參數化設計的 優點同時克服了參數化設計不得于復雜曲面造型的缺點 是一種改進的參數化設 計系統 4 上世紀7 0 年代 c a d 技術開始進入我國并得到了極大的推廣 當前 國內 大多數加工制造企業尤其是汽車行業已普遍采用了c a d 技術 并獲得了極大的 經濟效益 但大多數都是國外知名企業的c a d 系統 近幾年來 國家加大了c a d 系統的研發支持 出現了一大批擁有自主知識產權的c a d 軟件 比較知名的國 內c a d 系統有 華中科技大學開發的開目c a d 此系統面向工程實際 能模擬 設計人員的繪圖思路 繪圖效率要比國外的a u t o c a d 軟件高的多 北京北航海 爾有限公司開發的c a x a 是一款具有三維復雜型面設計的c a d c a m 軟件 在 機械電子繪圖方面有廣泛的應用 5 1 1 2 國內外研究現狀 據不完全統計 目前全世界約有3 0 余家車輪生產廠 主要分布在歐美國家及 亞洲的中國和日本等地區 美國曾是車輪生產能力最大的國家 年產3 0 4 0 萬 車輪 但目前各車輪廠基本處于停產 半停產狀態 而韓國 印度 澳大利亞 3 基于尺寸驅動法的鋼制車輪及滾壓模具參數化設計 南非等國盡管有車輪制造廠 但產品主要依靠進口 除中國外 近幾年世界上沒 有新建的車輪廠 與上世紀八九十年代相比 車輪生產廠的數量在減少 總的生 產能力顯著降低 目前 法國萊迪納 v a l d u n e s 和日本住友是裝備水平和技術水 平處于領先的車輪廠 而俄羅斯 烏克蘭的車輪廠則因其低成本優勢極具市場競 爭力 車輪的生產方法主要有兩種 軋制法和鑄造法 軋制法的優點是車輪具有均 勻 致密的組織 良好的綜合機械性能 因而具有高可靠性 缺點是生產工序 多 生產成本高 鑄造法的優點是流程短 工藝流暢 工序環節少 生產成本非常低 省去了 軋制車輪時的鑄錠 切坯 加熱 鐓粗 沖孔和軋制等工序 使生產工藝大大簡 化 明顯降低了能耗 提高了金屬的收得率 其缺點主要是車輪的塑性 韌性較 j z l 0 美國是主要使用鑄鋼輪的國家 生產工藝成熟 幾乎所有的貨車輪都使用鑄 鋼輪 但客車輪和機車輪仍使用軋制車輪 這說明 即使在美國當安全性要求更 高時 軋制車輪仍是主要選擇對象 實際上 由于美國車輪廠的倒閉或停產 目 前只有大同與美國a b c 公司合資的大同鑄鋼輪廠在滿負荷生產 可見 在世界 范圍 鑄鋼輪的需求量是非常有限的 日本和歐洲國家始終對鑄鋼輪持排斥態度 而他 f p 車l n 法生產線的裝備和技 術水平恰是領先的 且生產過程一直處在正常運轉狀態 與美國的情況截然不同 其原因在于軋制車輪既具有高可靠性 同時還具有廣泛的適應性 軋制車輪的生產模式主要有兩種 一是自成體系的生產廠 歐洲的車輪廠基 本如此 其特點是煉鋼能力與軋制能力匹配 均采用電爐煉鋼 二是歸屬于大鋼 鐵企業的生產廠 主要為日本住友 俄羅斯 烏克蘭車輪廠及中國馬鞍山鋼鐵股 份有限責任公司 這兩種模式之間存在的差異主要在鋼上 歐洲車輪鋼中的殘余 合金元素含量高 而住友和馬鋼車輪鋼中殘余合金元素含量非常低 綜上所述 隨著中國加入w t o 公路運輸事業也迅速地與世界接軌 在新 的世紀里 我國公路運輸將全面提速 車輛逐步更新 伴隨著中國經濟的飛速發 展以及西部大開發等良好機遇 同時隨著中國車輪產品在國際市場的競爭力日趨 4 濟南大學碩士學位論文 增強 國內車輪生產廠家面臨著巨大機遇和挑戰 因此必須順應國內和國際市場 發展趨勢 不斷地對現有設備進行更新換代 堅持不懈地進行技術創新 開發出 適應市場需要的新產品 提高自己的綜合競爭能力 以在激烈的國際國內市場中 立于不敗之地 參數化設計研究方面目前有吉林大學遲瑞豐的 乘用車概念車身參數化設 計 仿真 優化一體化關鍵問題研究 6 中國科學院計算機技術研究所劉慎權 的 參數化設計模型的研究與實現 吉林大學劉瑞軍的 覆蓋件沖壓模具型面 參數化仿真設計方法與關鍵技術研究 7 1 東北大學趙常云的 基于s o l i d w o r k s 的產品三維參數化設計與虛擬裝配研究 引 太原理工大學高顏萌的 基于p m e 的5 度深槽輪輞汽車輪液模c a d 系統研究與開發 9 1 等 1 3 本課題的主要研究內容 本課題主要以參數化理論為基礎 將單一的車輪設計放到參數化設計的思想 中 使用v i s u a ls t u d i 0 2 0 0 8 平臺提供的c 精言作為s o l i d w o r k s 的二次開發語言 結合s o l i d w o r k s 中的參數化設計原則 開發了一套車輪及模具的參數化設計系 統 主要的研究內容有 1 研究了參數設計理論 參數化設計理論中的尺寸驅動法適合零件結構 固定的 系列化的產品的設計 而輪輞屬于這種零件結構 所以用尺寸驅動法設 計輪輞是可行的 2 研究了輪輞的成形和加工中的變形原則 在變形中體積不變的原則上 提出了輪輞變形的分段體積不變原則 結合輪輞加工中的變形發生在局部區域和 等間隙變形原則 使輪輞在各次滾形中的各部分尺寸參數更加精確 3 將參數化理論與輪輞的設計結合起來 用s o l i d w o r k s 做載體開發了車 輪的參數化設計系統 5 基于尺寸驅動法的鋼制車輪及滾壓模具參數化設計 6 濟南大學碩士學位論文 第二章參數化設計理論及系統關鍵技術 基于尺寸驅動的鋼制車輪及模具參數化設計涉及s o l i d w o r k s 參數化設計及 二次開發等方面的技術 因此在本章中主要介紹了參數化設計的基本思想 s o l i d w o r k s 的參數化建模技術 主要的s o l i d w o r k s 二次開發語言 s o l i d w o r k s 為二次開發提供的a p i 及輪輞參數保存的a c c e s s 數據庫訪問技術 2 1 參數化設計概述 用傳統的c a d 技術繪制圖形時 圖形中定義的幾何元素的尺寸值是不變的 即圖形中的對象 直線和圓弧等 一旦繪制完成就有了確定的幾何位置 圖形中 不保存對象間的連接 平行 垂直等拓撲關系 要想修改圖形中的幾何參數 哪 怕是其中一條直線的長度改變 只能把原始圖形全部刪除后重新繪制 而在新產 品的研發過程中又不可能一次就繪制成功 往往要進行多次反復的修改 不斷的 調整和優化零件的形狀和尺寸 以達到最佳的設計結果 尤其在設計開發系列化 產品時 往往根據產品規格和型號的不同要進行變型設計 最終繪制出圖紙 由 于多個尺寸或某一尺寸改變時就要重新繪制所有的圖紙 給設計人員帶來了極大 的不變 有時設計者為了簡化工作量不得不采用折衷的辦法 修改圖形中的尺寸 值而不改變圖形的形狀 但這樣又造成了圖形尺寸與圖形的外形輪廓不一致的設 計混亂問題 若采用建立參數化設計模型制圖時 就可解決上述給設計人員帶來 巨大工作量的反復修改圖形的問題 當修改設計后的圖形中的尺寸問題時 圖形 可根據內建的約束關系自動的修改相應的尺寸及與其相關的尺寸 可大大提高產 品在設計初期的設計效率 尤其適合我國目前企業的生產狀況 1 0 1 參數化設計 p a r a m e t r i cd e s i g n 技術以約束關系 尺寸約束 拓撲約束 建立起圖形的參數化模型 通過修改模型中的參數即可以得到同系列中不同尺寸 的產品 所以參數化設計適用于系列化的產品設計 參數化設計使圖形模型的尺 寸參數與拓撲參數相關聯起來 從而達到改變模型中的尺寸就可以驅動其改變型 號的目的 實現了產品的快速 自動設計 提高了產品設計的智能化水平 參數 7 基于尺寸驅動法的鋼制車輪及滾壓模具參數化設計 化設計是通過對圖形進行幾何約束建模和約束求解來實現產品的設計 是一種智 能化的圖形處理技術 1 1 1 目前的參數化建模技術主要分為以下三種 1 2 2 1 1 基于尺寸驅動的參數化建模 基于尺寸驅動的參數化建模是對模型的幾何尺寸進行約束 通過修改約束的 幾何尺寸來實現對圖形的修改 1 3 是目前廣泛采用的參數化建模方法 也是參數 化建模中最基本的方法 從根本上講 無論其他的參數化建模方法如何改變圖形 其實都是通過改變圖形的幾何尺寸來實現的 例如 在s o l i d w o r k s 軟件中建立 一個實體 在其上標注尺寸時 標注的尺寸線可以看成是帶有參數名的有向線段 帶有方向的標注尺寸線就是尺寸驅動模型中的可改變的參數 而參數名是此尺寸 與其它的參數尺寸區分的唯一標志 這樣由用戶輸入的參數名可找到與之對應的 實體 可以通過對參數值的修改進而達到對實體進行修改的目的 1 4 1 2 1 2 變量幾何法 變量幾何法的實質是基于約束滿足的代數法 這種方法將幾何模型分解成一 系列的特征點 并用這些特征點的坐標變量組成一個非線性約束方程組 若約束 條件改變時 可利用迭代法求解非線性約束方程組的解 這些解的值就是一系列 的特征點 由這些特征點就可以生成新的幾何模型 在三維模型空間中 幾何體可以用一組特征點來定義 每個特征點有3 個自 由度 即 y z 坐標值 用 個特征點定義的幾何形體共有3 n 個自由度 相 應需要建立3 n 個獨立的約束方程才能唯一確定形體的形狀和位置 將所有特征點的未知分量寫成矢量 工 置 y i z l x 2 y 2 z 2 石 y z r 2 1 為特征點個數 或 石 x 2 而 x 4 黽 x 6 x n 一2 一i r 2 2 n 3 n 表示形體的總自由度 8 濟南大學碩士學位論文 解 將已知的尺寸標注約束方程的值也寫成矢量 d 吐 d 2 d 3 d r 2 3 于是 變量幾何的一個實例就是求解以下一組非線性約束方程組的一個具體 工 工 以 2 4 或寫成一般形式 e x d 0 i 1 2 3 刀 2 5 約束方程中有6 個約束用來阻止剛體的平移和旋轉 剩下的 刀 6 個約束 取決于具體的尺寸標注方法 只有當尺寸標注合理 既無重復標注 又無漏注時 方程才有唯一解 求解非線性議程組的最基本方法是牛頓迭代法 即 l f 工 一1 f x 4 2 6 或 j j a x r 石 石 厶 厶 以 石 j f h j 2 7 2 8 稱為雅免比矩陣 其中 a f f l 2 3 刀 1 2 3 療 劣 缸 缸 a x 瓴r 表示各個自由度的少量位移 e 一e 一cr 表示方程組的殘余數 經過反復迭代 直至i 血 占 就得到滿足方程的解 當約束方程數與幾何 知而 黽 卻動 勛 吒而 瓴 0 石 厶 基于尺寸驅動法的鋼制車輪及滾壓模具參數化設計 矢量自由度不等時 雅可比矩陣在結構上是奇異的 有效的尺寸標注方案應保證 雅可比矩陣非奇異 這是變量幾何法有解的充分 必要條件 變量幾何法是求解約束的方法 若模型越復雜則約束越多 非線性方程組的 個數也越多 求解方程組的解也越困難 構造具有唯一解的約束也不容易 1 5 2 1 3 基于特征的參數化建模 基于特征的參數化建模技術是一種新興的c a d 建模方法 它著重表達產品 的完整技術和生產管理信息 在最終的產品上保留著各約束元素的相互依賴關 系 方便建立和使用統一的產品信息模型 替代傳統設計中的成套圖紙和技術文 檔 基于特征的參數化建模操作的對象不再是實體造型中基本的點 直線等 而 實體中如螺紋孔 鍵槽 定位孔等功能要素 這樣直接體現了設計的意圖 產品 的模型易于理解 容易組織生產 設計完成后的圖紙易于修改 提高了產品的設 計效率 促進了智能c a d 系統的開發和制造 1 6 1 幾種參數化建模方法各有利弊 基于尺寸驅動的參數化建模方法沒有解決 模型的幾何約束關系 所以只能通過改變參數的方法來改變模型的尺寸 但不 能改變零件各部分已經確定了的約束關系 也不能增加或減少模型的約束數量 但基于尺寸驅動的建模方法簡單 容易建立零件的模型 基于約束驅動的參數化 建模需要將零件中的工程約束降解為幾何約束 增加了建模的難度 但卻能從根 本上克服自由建模的無約束狀態 幾何約束可以分解為尺寸約束和拓撲約束的形 式從而便于模型的控制 基于特征的參數化建模則一般用于大型的復雜的產品 如飛機渦輪發動機等 它能夠完整的表達產品的工程信息 缺點就是復雜程度太 高 2 2 基于s o l i d w o r k s 的參數化建模技術 s o l i d w o r k s 是w i n d o w s 環境下的一款三維的c a d c a m c a e 軟件 由美國 s o l i d w o r k s 公司開發的目前三維c a d 市場最熱門的產品 其采用了傳統的 w i n d o w s 用戶界面 對于工程師和設計者來說 操作簡單方便 易學易用 s o l i d w o r k s 擁有功能強大的動態激活的屬性管理器 以草圖的繪制為基礎輔助以 1 0 濟南大學碩士學位論文 參數約束建立起強大的控制體系 并提供了開放的和功能完整的二次開發a p i a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e 應用程序接口 1 7 l 在s o l i d w o r k s 的參數化設計中的參數不僅僅代表設計對象的幾何尺寸 而 且還有實質上的物理意義 如s o l i d w o r k s 中的三維實體可以