（機(jī)械電子工程專業(yè)論文）基于尺寸驅(qū)動(dòng)法的鋼制車輪及滾壓模具參數(shù)化設(shè)計(jì).pdf

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(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的學(xué)位論文 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo) 下 獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容 外 本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的科 研成果 對本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體 均已在文 中以明確方式標(biāo)明 本人完全意識(shí)到本聲明的法律責(zé)任由本人 承擔(dān) 論文作者簽名 豸2 蛸 e l期 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明 本人完全了解濟(jì)南大學(xué)有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 同意學(xué)校保留或向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電 子版 允許論文被查閱和借鑒 本人授權(quán)濟(jì)南大學(xué)可以將學(xué)位 論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索 可以采用影 印 縮印或其他復(fù)制手段保存論文和匯編本學(xué)位論文 口公開口保密 年 解密后應(yīng)遵守此規(guī)定 論文作者簽名 黿參 罵乳導(dǎo)師簽名 域日期 乙型出 7 濟(jì)南大學(xué)碩七學(xué)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(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 1 3 本課題的主要研究內(nèi)容 5 第二章參數(shù)化設(shè)計(jì)理論及系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 7 2 1 參數(shù)化設(shè)計(jì)概述 7 2 1 1 基于尺寸驅(qū)動(dòng)的參數(shù)化建模 8 2 1 2 變量幾何法 8 2 1 3 基于特征的參數(shù)化建模 1 0 2 2 基于s o l i d w o r k s 的參數(shù)化建模技術(shù) 1 0 2 2 1 基于特征的建模技術(shù) 1 l 2 2 2 基于約束的建模技術(shù) 1 2 2 2 3 基于尺寸驅(qū)動(dòng)的建模技術(shù) 1 2 2 2 4 實(shí)體模型 13 2 2 5 單一數(shù)據(jù)庫 1 3 2 3 圖形參數(shù)化編程的原理 1 4 2 3 1 圖形參數(shù)化編程的特點(diǎn) 1 4 2 3 2 圖形參數(shù)化編程的方法 1 5 2 4s o l i d w o r k s 的二次開發(fā) 1 6 2 3 1v c 開發(fā)s o l i d w o r k s 的方法 1 7 2 3 2v b 開發(fā)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(shù)據(jù)庫技術(shù) 2 1 基于尺寸驅(qū)動(dòng)法的鋼制車輪及滾壓模具參數(shù)化設(shè)計(jì) 2 5 1a d o 數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù) 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(shù)據(jù)庫 2 3 2 6 本章小結(jié) 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(shè)計(jì) 2 9 3 2 1 三滾工序設(shè)計(jì) 3 0 3 2 2 二滾工序設(shè)計(jì) 3 0 3 2 3 一滾工序設(shè)計(jì) 3l 3 3 輪輞滾壓模具的設(shè)計(jì)原則 3 2 3 4 輪輻的滾壓成形及模具設(shè)計(jì) 3 3 3 5 本章小結(jié) 3 4 第四章鋼制車輪及模具參數(shù)化系統(tǒng)的開發(fā) 3 5 4 1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 3 5 4 2 系統(tǒng)的具體開發(fā) 3 6 4 2 1 輪輞參數(shù)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(jìn)行二次開發(fā) 3 8 4 3 輪輞模具的設(shè)計(jì) 4 5 4 4 本章小結(jié) 4 7 第五章系統(tǒng)運(yùn)行示例 4 9 5 1 插件程序的加載 4 9 5 2 輪輞的參數(shù)化設(shè)計(jì) 4 9 5 3 輪輻的參數(shù)化設(shè)計(jì) 5 3 濟(jì)南大學(xué)碩士學(xué)位論文 5 4 輪輞滾壓模具的設(shè)計(jì) 5 3 5 5 本章小結(jié) 5 5 第六章結(jié)論與展望 5 7 6 1 結(jié)論 5 7 6 2 展望 5 8 參考文獻(xiàn) 5 9 致謝 6 3 附錄 6 5 一 在校期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 6 5 二 在校期間參加的項(xiàng)目 6 5 i 基于尺寸驅(qū)動(dòng)法的鋼制車輪及滾壓模具參數(shù)化設(shè)計(jì) i v 濟(jì)南大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 進(jìn)入二十一世紀(jì) 隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展 如何高質(zhì)量 高效率地完 成汽車零部件的模具設(shè)計(jì)已經(jīng)成為汽車生產(chǎn)行業(yè)的重要研究方向之一 車輪是車 輛的重要的基礎(chǔ)零部件之一 如何快速的設(shè)計(jì)出符合客戶要求的車輪 已成為車 輪生產(chǎn)企業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn) 本文以參數(shù)化設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ) 通過研究車輪中輪輞的結(jié)構(gòu)和加工中的變形 規(guī)律 將參數(shù)化設(shè)計(jì)理論與輪輞的設(shè)計(jì)結(jié)合在一起 開發(fā)了輪輞模具的參數(shù)化設(shè) 計(jì)系統(tǒng) 首先研究了現(xiàn)有的相關(guān)理論和技術(shù) 選擇了合適的二次開發(fā)工具 開發(fā) 語言和數(shù)據(jù)庫技術(shù)等 對車輪及模具的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的框架進(jìn)行了設(shè)計(jì) 重點(diǎn) 研究了s o l i d w o r k s 軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)及二次開發(fā)的方法 輪輞加工中的變形規(guī) 律 結(jié)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(jìn)一步的提高 接著研究輪 輞工序圖設(shè)計(jì)的具體原則 最后結(jié)合上面的研究 對系統(tǒng)進(jìn)行了具體的實(shí)現(xiàn) 完 成了輪輞工序設(shè)計(jì) 輪輞模具圖紙?jiān)O(shè)計(jì) 輪輻模具的選擇和系統(tǒng)的維護(hù)功能 根據(jù)系統(tǒng)的要求構(gòu)建了系統(tǒng)的整體框架和各個(gè)功能模塊 系統(tǒng)的圖形開發(fā)平 臺(tái)為s o l i d w o r k s 2 0 0 9 二次開發(fā)的語言平臺(tái)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(fā)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)的要求 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用a c c e s s 數(shù) 據(jù)庫 數(shù)據(jù)訪問使用a d o n e t 技術(shù) 系統(tǒng)在設(shè)計(jì)在完全采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè) 計(jì)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(kuò)展性和可維 護(hù)性 節(jié)省了開發(fā)時(shí)間的同時(shí)減輕了日后維護(hù)的工作量 輪輞的三次滾形工藝的設(shè)計(jì)按照變形前后總體積不變原則 變形發(fā)生在局部 原則和變形前后的等間隙原則進(jìn)行 其滾壓模具設(shè)計(jì)按照第一次滾形時(shí)生成輪輞 的中心 第二次滾形時(shí)生成輪輞的形狀 第三次滾形時(shí)生成輪輞的準(zhǔn)確尺寸的原 則 本文對三次滾形中輪輞的變形進(jìn)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(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)法的鋼制車輪及滾壓模具參數(shù)化設(shè)計(jì) 的 在系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)中 主要研究了如何用c 語占對s o l i d w o r k s 進(jìn)行二次開 發(fā) 如何開發(fā)符合s o l i d w o r k s 風(fēng)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?qū)傩皂撝屑尤肴鐦?biāo)簽 文本框 選擇框 按鈕等控件的方法 以及用戶 觸發(fā)這些控件時(shí)s o l i d w o r k s 程序如何做出響應(yīng) 按照輪輞設(shè)計(jì)的變形前后總體 積不變原則和變形發(fā)生在局部原則 設(shè)計(jì)了參數(shù)化輪輞變形的具體算法 通過已 有g(shù) b t 3 4 8 7 2 0 0 5 中1 5 度深槽輪輞圖紙的驗(yàn)證 證明了輪輞的分段體積不變的 算法是正確的 關(guān)鍵詞 參數(shù)化設(shè)計(jì) 車輪輪輞 s o l i d w o r k s 二次開發(fā) 模具設(shè)計(jì) 濟(jì)南大學(xué)碩士學(xué)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(qū)動(dòng)法的鋼制車輪及滾壓模具參數(shù)化設(shè)計(jì) 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(jì)南大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 研究背景 第一章緒論弟一早殖了匕 進(jìn)入二十一世紀(jì) 我國的汽車行業(yè)也進(jìn)入了一個(gè)快速和全面發(fā)展的新時(shí)代 在國內(nèi)外大量的需求條件下 我國的汽車行業(yè)蓬勃發(fā)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(yè)正在進(jìn)行著爆發(fā)式的增長 特別是私人消 費(fèi)的興起使汽車的需求量開始迅速的攀升 成為推動(dòng)我國汽車行業(yè)發(fā)展的一股不 可忽視的力量 同時(shí) 我國在全球汽車產(chǎn)業(yè)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(gè)月 我國汽車制造業(yè)實(shí)現(xiàn)累 計(jì)工業(yè)總產(chǎn)值達(dá)2 l 萬億 比上年同期相比增長了1 7 7 實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品累計(jì)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(gè)月與2 0 0 8 年同 期相比制造業(yè)累計(jì)總產(chǎn)值與累計(jì)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(yè)作為我國的國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的地位也變得越來越顯著 人們對汽 車的需求量伴隨著經(jīng)濟(jì)條件的日益改善也在不斷的增加 市場需求的不斷擴(kuò)大使 我國汽車工業(yè)的發(fā)展?jié)摿Φ玫搅顺掷m(xù)的提高 此外城市化進(jìn)程的加快 公路里程 的增加及城市中相應(yīng)基礎(chǔ)建設(shè)的日臻完善 都在加速我國汽車工業(yè)的快速 持續(xù) 發(fā)展 汽車工業(yè)的快速發(fā)展帶動(dòng)了作為其工業(yè)基礎(chǔ)的汽車零部件的飛速發(fā)展 汽車 零部件行業(yè)成為名副其實(shí)的工業(yè)領(lǐng)頭羊之一 作為汽車工業(yè)基礎(chǔ)的零部件產(chǎn)業(yè) 是支撐汽車工業(yè)持續(xù)健康發(fā)展不可或缺的因素 特別是在當(dāng)前汽車行業(yè)正在轟轟 烈烈 如火如荼的開展自主研發(fā)與創(chuàng)新的大背景下 更需要有一個(gè)強(qiáng)大的零部件 產(chǎn)業(yè)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(qū)動(dòng)扭 基于尺寸驅(qū)動(dòng)法的鋼制車輪及滾壓模具參數(shù)化設(shè)計(jì) 矩及行駛中的各種應(yīng)力 所以車輪的質(zhì)量與駕駛?cè)藛T的生命直接相關(guān) 2 1 當(dāng)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(jì)八十年代后 鋼制車輪 的市場份額逐步減少 轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的多樣化 而 且 鋼制車輪質(zhì)量大 制造和使用鋼制車輪時(shí)消耗的能量都比鋁合金車輪要大的 多 為了應(yīng)對鋁合金車輪的滲透和挑戰(zhàn) 近年來國際鋼制車輪行業(yè)在制造鋼制車 輪的各方面進(jìn)行了一系列的改革和創(chuàng)新 包括采用微合金材料鋼 雙目鋼等高強(qiáng) 度低重量的新型材料鋼和采用旋壓等新的生產(chǎn)工藝 不斷改進(jìn)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(yōu)勢 因此 絕大部分的載重汽車的車輪是用鋼材制造的 預(yù)計(jì)未來五年 以中國為代 表的新興汽車消費(fèi)國對汽車的需求量的不斷提升 將推動(dòng)全球鋼制車輪的需求量 保持在4 5 左右的增速 預(yù)計(jì)到2 0 1 2 年時(shí) 全球鋼制車輪的需求量可達(dá)3 2 億 只 3 1 隨著汽車產(chǎn)量的持續(xù)增加及汽車制造行業(yè)制造水平的不斷提高 汽車車輪 生產(chǎn)行業(yè)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 產(chǎn)生于上世紀(jì)五十年代 后期 早期的c a d 技術(shù)主要用于二維的計(jì)算機(jī)輔助繪圖領(lǐng)域 近年來 隨著計(jì) 算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展和微型計(jì)算機(jī)的普及 極大的推動(dòng)了c a d 技術(shù)的發(fā) 展 如今的c a d 不僅僅是計(jì)算機(jī)輔助繪圖 還包括自由曲面設(shè)計(jì) 有限元分析 機(jī)構(gòu)仿真 參數(shù)化設(shè)計(jì)及變量化設(shè)計(jì)系統(tǒng)等 廣泛應(yīng)用于航空航天 機(jī)械 建筑 電子 地質(zhì)等領(lǐng)域 c a d 技術(shù)從誕生到現(xiàn)在共經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)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(jì)的7 0 年代 初期的c a d 系統(tǒng)是簡單的線框式 系統(tǒng)只能表達(dá)圖形的基本幾何信息關(guān)系 此時(shí)的c a d 系統(tǒng)只是簡單的繪圖工具 而已 到7 0 年代時(shí) 飛機(jī)和汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)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(xiàn)極大的推動(dòng)了c a d 系統(tǒng)的發(fā)展 出現(xiàn)了以表 2 濟(jì)南大學(xué)碩士學(xué)位論文 面模型為特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)從二維工程圖的簡單繪制到 三維完整表達(dá)零件信息系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變 使計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)具備了計(jì)算機(jī)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(jī)制造商仍在使用c a t i a 第二階段為實(shí)體造型階段 曲面模型解決了 c a m 的問題 但其無法準(zhǔn)確表達(dá)零件的諸如質(zhì)量 重心 慣性矩等特征 無法 實(shí)現(xiàn)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(jì)算機(jī)輔助工程 為了解決這個(gè)問題 s d r c 公司在上世紀(jì)7 0 年代末開發(fā)出了第一個(gè)完整基于實(shí)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(tǒng)一表達(dá) 給設(shè)計(jì)者帶來了極大的方便性 第三階段為參 數(shù)化設(shè)計(jì)階段 參數(shù)化是基于特征的尺寸約束和尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方法 最早的參數(shù) 化設(shè)計(jì)軟件是p t c 公司的p r o e 隨著參數(shù)化設(shè)計(jì)的日益成熟 使得眾多的通用 零件的設(shè)計(jì)變得簡單易行 第四階段為變量化設(shè)計(jì)階段 它繼承了參數(shù)化設(shè)計(jì)的 優(yōu)點(diǎn)同時(shí)克服了參數(shù)化設(shè)計(jì)不得于復(fù)雜曲面造型的缺點(diǎn) 是一種改進(jìn)的參數(shù)化設(shè) 計(jì)系統(tǒng) 4 上世紀(jì)7 0 年代 c a d 技術(shù)開始進(jìn)入我國并得到了極大的推廣 當(dāng)前 國內(nèi) 大多數(shù)加工制造企業(yè)尤其是汽車行業(yè)已普遍采用了c a d 技術(shù) 并獲得了極大的 經(jīng)濟(jì)效益 但大多數(shù)都是國外知名企業(yè)的c a d 系統(tǒng) 近幾年來 國家加大了c a d 系統(tǒng)的研發(fā)支持 出現(xiàn)了一大批擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的c a d 軟件 比較知名的國 內(nèi)c a d 系統(tǒng)有 華中科技大學(xué)開發(fā)的開目c a d 此系統(tǒng)面向工程實(shí)際 能模擬 設(shè)計(jì)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(fā)的c a x a 是一款具有三維復(fù)雜型面設(shè)計(jì)的c a d c a m 軟件 在 機(jī)械電子繪圖方面有廣泛的應(yīng)用 5 1 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì) 目前全世界約有3 0 余家車輪生產(chǎn)廠 主要分布在歐美國家及 亞洲的中國和日本等地區(qū) 美國曾是車輪生產(chǎn)能力最大的國家 年產(chǎn)3 0 4 0 萬 車輪 但目前各車輪廠基本處于停產(chǎn) 半停產(chǎn)狀態(tài) 而韓國 印度 澳大利亞 3 基于尺寸驅(qū)動(dòng)法的鋼制車輪及滾壓模具參數(shù)化設(shè)計(jì) 南非等國盡管有車輪制造廠 但產(chǎn)品主要依靠進(jìn)口 除中國外 近幾年世界上沒 有新建的車輪廠 與上世紀(jì)八九十年代相比 車輪生產(chǎn)廠的數(shù)量在減少 總的生 產(chǎn)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(shù)水 平處于領(lǐng)先的車輪廠 而俄羅斯 烏克蘭的車輪廠則因其低成本優(yōu)勢極具市場競 爭力 車輪的生產(chǎn)方法主要有兩種 軋制法和鑄造法 軋制法的優(yōu)點(diǎn)是車輪具有均 勻 致密的組織 良好的綜合機(jī)械性能 因而具有高可靠性 缺點(diǎn)是生產(chǎn)工序 多 生產(chǎn)成本高 鑄造法的優(yōu)點(diǎn)是流程短 工藝流暢 工序環(huán)節(jié)少 生產(chǎn)成本非常低 省去了 軋制車輪時(shí)的鑄錠 切坯 加熱 鐓粗 沖孔和軋制等工序 使生產(chǎn)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(diǎn)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(chǎn)工藝成熟 幾乎所有的貨車輪都使用鑄 鋼輪 但客車輪和機(jī)車輪仍使用軋制車輪 這說明 即使在美國當(dāng)安全性要求更 高時(shí) 軋制車輪仍是主要選擇對象 實(shí)際上 由于美國車輪廠的倒閉或停產(chǎn) 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(fù)荷生產(chǎn) 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(tài)度 而他 f p 車l n 法生產(chǎn)線的裝備和技 術(shù)水平恰是領(lǐng)先的 且生產(chǎn)過程一直處在正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 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(shí)還具有廣泛的適應(yīng)性 軋制車輪的生產(chǎn)模式主要有兩種 一是自成體系的生產(chǎn)廠 歐洲的車輪廠基 本如此 其特點(diǎn)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(yè)的生產(chǎn)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(zé)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(yùn)輸事業(yè)也迅速地與世界接軌 在新 的世紀(jì)里 我國公路運(yùn)輸將全面提速 車輛逐步更新 伴隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā) 展以及西部大開發(fā)等良好機(jī)遇 同時(shí)隨著中國車輪產(chǎn)品在國際市場的競爭力日趨 4 濟(jì)南大學(xué)碩士學(xué)位論文 增強(qiáng) 國內(nèi)車輪生產(chǎn)廠家面臨著巨大機(jī)遇和挑戰(zhàn) 因此必須順應(yīng)國內(nèi)和國際市場 發(fā)展趨勢 不斷地對現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行更新?lián)Q代 堅(jiān)持不懈地進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新 開發(fā)出 適應(yīng)市場需要的新產(chǎn)品 提高自己的綜合競爭能力 以在激烈的國際國內(nèi)市場中 立于不敗之地 參數(shù)化設(shè)計(jì)研究方面目前有吉林大學(xué)遲瑞豐的 乘用車概念車身參數(shù)化設(shè) 計(jì) 仿真 優(yōu)化一體化關(guān)鍵問題研究 6 中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)技術(shù)研究所劉慎權(quán) 的 參數(shù)化設(shè)計(jì)模型的研究與實(shí)現(xiàn) 吉林大學(xué)劉瑞軍的 覆蓋件沖壓模具型面 參數(shù)化仿真設(shè)計(jì)方法與關(guān)鍵技術(shù)研究 7 1 東北大學(xué)趙常云的 基于s o l i d w o r k s 的產(chǎn)品三維參數(shù)化設(shè)計(jì)與虛擬裝配研究 引 太原理工大學(xué)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(tǒng)研究與開發(fā) 9 1 等 1 3 本課題的主要研究內(nèi)容 本課題主要以參數(shù)化理論為基礎(chǔ) 將單一的車輪設(shè)計(jì)放到參數(shù)化設(shè)計(jì)的思想 中 使用v i s u a ls t u d i 0 2 0 0 8 平臺(tái)提供的c 精言作為s o l i d w o r k s 的二次開發(fā)語言 結(jié)合s o l i d w o r k s 中的參數(shù)化設(shè)計(jì)原則 開發(fā)了一套車輪及模具的參數(shù)化設(shè)計(jì)系 統(tǒng) 主要的研究內(nèi)容有 1 研究了參數(shù)設(shè)計(jì)理論 參數(shù)化設(shè)計(jì)理論中的尺寸驅(qū)動(dòng)法適合零件結(jié)構(gòu) 固定的 系列化的產(chǎn)品的設(shè)計(jì) 而輪輞屬于這種零件結(jié)構(gòu) 所以用尺寸驅(qū)動(dòng)法設(shè) 計(jì)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(jié)合輪輞加工中的變形發(fā)生在局部區(qū)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(shù)更加精確 3 將參數(shù)化理論與輪輞的設(shè)計(jì)結(jié)合起來 用s o l i d w o r k s 做載體開發(fā)了車 輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng) 5 基于尺寸驅(qū)動(dòng)法的鋼制車輪及滾壓模具參數(shù)化設(shè)計(jì) 6 濟(jì)南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章參數(shù)化設(shè)計(jì)理論及系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù) 基于尺寸驅(qū)動(dòng)的鋼制車輪及模具參數(shù)化設(shè)計(jì)涉及s o l i d w o r k s 參數(shù)化設(shè)計(jì)及 二次開發(fā)等方面的技術(shù) 因此在本章中主要介紹了參數(shù)化設(shè)計(jì)的基本思想 s o l i d w o r k s 的參數(shù)化建模技術(shù) 主要的s o l i d w o r k s 二次開發(fā)語言 s o l i d w o r k s 為二次開發(fā)提供的a p i 及輪輞參數(shù)保存的a c c e s s 數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù) 2 1 參數(shù)化設(shè)計(jì)概述 用傳統(tǒng)的c a d 技術(shù)繪制圖形時(shí) 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?fù)潢P(guān)系 要想修改圖形中的幾何參數(shù) 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(chǎn) 品的研發(fā)過程中又不可能一次就繪制成功 往往要進(jìn)行多次反復(fù)的修改 不斷的 調(diào)整和優(yōu)化零件的形狀和尺寸 以達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)結(jié)果 尤其在設(shè)計(jì)開發(fā)系列化 產(chǎn)品時(shí) 往往根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格和型號(hào)的不同要進(jìn)行變型設(shè)計(jì) 最終繪制出圖紙 由 于多個(gè)尺寸或某一尺寸改變時(shí)就要重新繪制所有的圖紙 給設(shè)計(jì)人員帶來了極大 的不變 有時(shí)設(shè)計(jì)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(shè) 計(jì)混亂問題 若采用建立參數(shù)化設(shè)計(jì)模型制圖時(shí) 就可解決上述給設(shè)計(jì)人員帶來 巨大工作量的反復(fù)修改圖形的問題 當(dāng)修改設(shè)計(jì)后的圖形中的尺寸問題時(shí) 圖形 可根據(jù)內(nèi)建的約束關(guān)系自動(dòng)的修改相應(yīng)的尺寸及與其相關(guān)的尺寸 可大大提高產(chǎn) 品在設(shè)計(jì)初期的設(shè)計(jì)效率 尤其適合我國目前企業(yè)的生產(chǎn)狀況 1 0 1 參數(shù)化設(shè)計(jì) p a r a m e t r i cd e s i g n 技術(shù)以約束關(guān)系 尺寸約束 拓?fù)浼s束 建立起圖形的參數(shù)化模型 通過修改模型中的參數(shù)即可以得到同系列中不同尺寸 的產(chǎn)品 所以參數(shù)化設(shè)計(jì)適用于系列化的產(chǎn)品設(shè)計(jì) 參數(shù)化設(shè)計(jì)使圖形模型的尺 寸參數(shù)與拓?fù)鋮?shù)相關(guān)聯(lián)起來 從而達(dá)到改變模型中的尺寸就可以驅(qū)動(dòng)其改變型 號(hào)的目的 實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的快速 自動(dòng)設(shè)計(jì) 提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的智能化水平 參數(shù) 7 基于尺寸驅(qū)動(dòng)法的鋼制車輪及滾壓模具參數(shù)化設(shè)計(jì) 化設(shè)計(jì)是通過對圖形進(jìn)行幾何約束建模和約束求解來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì) 是一種智 能化的圖形處理技術(shù) 1 1 1 目前的參數(shù)化建模技術(shù)主要分為以下三種 1 2 2 1 1 基于尺寸驅(qū)動(dòng)的參數(shù)化建模 基于尺寸驅(qū)動(dòng)的參數(shù)化建模是對模型的幾何尺寸進(jìn)行約束 通過修改約束的 幾何尺寸來實(shí)現(xiàn)對圖形的修改 1 3 是目前廣泛采用的參數(shù)化建模方法 也是參數(shù) 化建模中最基本的方法 從根本上講 無論其他的參數(shù)化建模方法如何改變圖形 其實(shí)都是通過改變圖形的幾何尺寸來實(shí)現(xiàn)的 例如 在s o l i d w o r k s 軟件中建立 一個(gè)實(shí)體 在其上標(biāo)注尺寸時(shí) 標(biāo)注的尺寸線可以看成是帶有參數(shù)名的有向線段 帶有方向的標(biāo)注尺寸線就是尺寸驅(qū)動(dòng)模型中的可改變的參數(shù) 而參數(shù)名是此尺寸 與其它的參數(shù)尺寸區(qū)分的唯一標(biāo)志 這樣由用戶輸入的參數(shù)名可找到與之對應(yīng)的 實(shí)體 可以通過對參數(shù)值的修改進(jìn)而達(dá)到對實(shí)體進(jìn)行修改的目的 1 4 1 2 1 2 變量幾何法 變量幾何法的實(shí)質(zhì)是基于約束滿足的代數(shù)法 這種方法將幾何模型分解成一 系列的特征點(diǎn) 并用這些特征點(diǎn)的坐標(biāo)變量組成一個(gè)非線性約束方程組 若約束 條件改變時(shí) 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(diǎn) 由這些特征點(diǎn)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(diǎn)來定義 每個(gè)特征點(diǎn)有3 個(gè)自 由度 即 y z 坐標(biāo)值 用 個(gè)特征點(diǎn)定義的幾何形體共有3 n 個(gè)自由度 相 應(yīng)需要建立3 n 個(gè)獨(dú)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(diǎn)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(diǎn)個(gè)數(shù) 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(jì)南大學(xué)碩士學(xué)位論文 解 將已知的尺寸標(biāo)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(gè)實(shí)例就是求解以下一組非線性約束方程組的一個(gè)具體 工 工 以 2 4 或?qū)懗梢话阈问?e x d 0 i 1 2 3 刀 2 5 約束方程中有6 個(gè)約束用來阻止剛體的平移和旋轉(zhuǎn) 剩下的 刀 6 個(gè)約束 取決于具體的尺寸標(biāo)注方法 只有當(dāng)尺寸標(biāo)注合理 既無重復(fù)標(biāo)注 又無漏注時(shí) 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(gè)自由度的少量位移 e 一e 一cr 表示方程組的殘余數(shù) 經(jīng)過反復(fù)迭代 直至i 血 占 就得到滿足方程的解 當(dāng)約束方程數(shù)與幾何 知而 黽 卻動(dòng) 勛 吒而 瓴 0 石 厶 基于尺寸驅(qū)動(dòng)法的鋼制車輪及滾壓模具參數(shù)化設(shè)計(jì) 矢量自由度不等時(shí) 雅可比矩陣在結(jié)構(gòu)上是奇異的 有效的尺寸標(biāo)注方案應(yīng)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(fù)雜則約束越多 非線性方程組的 個(gè)數(shù)也越多 求解方程組的解也越困難 構(gòu)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(shù)化建模 基于特征的參數(shù)化建模技術(shù)是一種新興的c a d 建模方法 它著重表達(dá)產(chǎn)品 的完整技術(shù)和生產(chǎn)管理信息 在最終的產(chǎn)品上保留著各約束元素的相互依賴關(guān) 系 方便建立和使用統(tǒng)一的產(chǎn)品信息模型 替代傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的成套圖紙和技術(shù)文 檔 基于特征的參數(shù)化建模操作的對象不再是實(shí)體造型中基本的點(diǎn) 直線等 而 實(shí)體中如螺紋孔 鍵槽 定位孔等功能要素 這樣直接體現(xiàn)了設(shè)計(jì)的意圖 產(chǎn)品 的模型易于理解 容易組織生產(chǎn) 設(shè)計(jì)完成后的圖紙易于修改 提高了產(chǎn)品的設(shè) 計(jì)效率 促進(jìn)了智能c a d 系統(tǒng)的開發(fā)和制造 1 6 1 幾種參數(shù)化建模方法各有利弊 基于尺寸驅(qū)動(dòng)的參數(shù)化建模方法沒有解決 模型的幾何約束關(guān)系 所以只能通過改變參數(shù)的方法來改變模型的尺寸 但不 能改變零件各部分已經(jīng)確定了的約束關(guān)系 也不能增加或減少模型的約束數(shù)量 但基于尺寸驅(qū)動(dòng)的建模方法簡單 容易建立零件的模型 基于約束驅(qū)動(dòng)的參數(shù)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(tài) 幾何約束可以分解為尺寸約束和拓?fù)浼s束的形 式從而便于模型的控制 基于特征的參數(shù)化建模則一般用于大型的復(fù)雜的產(chǎn)品 如飛機(jī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)等 它能夠完整的表達(dá)產(chǎn)品的工程信息 缺點(diǎn)就是復(fù)雜程度太 高 2 2 基于s o l i d w o r k s 的參數(shù)化建模技術(shù) s o l i d w o r k s 是w i n d o w s 環(huán)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(fā)的目前三維c a d 市場最熱門的產(chǎn)品 其采用了傳統(tǒng)的 w i n d o w s 用戶界面 對于工程師和設(shè)計(jì)者來說 操作簡單方便 易學(xué)易用 s o l i d w o r k s 擁有功能強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)激活的屬性管理器 以草圖的繪制為基礎(chǔ)輔助以 1 0 濟(jì)南大學(xué)碩士學(xué)位論文 參數(shù)約束建立起強(qiáng)大的控制體系 并提供了開放的和功能完整的二次開發(fā)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(yīng)用程序接口 1 7 l 在s o l i d w o r k s 的參數(shù)化設(shè)計(jì)中的參數(shù)不僅僅代表設(shè)計(jì)對象的幾何尺寸 而 且還有實(shí)質(zhì)上的物理意義 如s o l i d w o r k s 中的三維實(shí)體可以