学生姓名：张凯

班  级：机械（茅班）2019-01班

指导教师：黎荣

毕设题目：八轴电力机车转向架三维建模及可视化仿真

 

一、概况

1.选题意义

随着轨道车辆的不断发展，对于其核心部件转向架的设计开发，逐渐受到更加广泛的关注。本课题以八轴电力机车转向架作为切入点，研究学习转向架的系统设计、3D建模及可视化仿真技术。基于CATIA软件实现设计规则的定义、模块构建和基于设计特征八轴转向架智能设计；在设计模型支持下运用Simpack软件进行动力学分析并在可视化仿真环境中实现设计方案评价。

我国轨道车辆的发展过程伴随着大量的引进与消化吸收，所以转向架的开发过程缺乏完整性，得到的参数模型无法与需求模型相匹配，因而在转向架的设计过程中，智能设计的运用相对较少。但在其他复杂产品的设计开发过程中，如飞机、起重器、船舶等，智能设计得到了广泛的运用，并取得了不错的成效，促进了复杂产品的设计开发，缩短开发的周期。所以本课题将智能设计的方法运用在转向架的设计过程中，对转向架进行模块化设计、变量化设计等智能设计操作，促进转向架的设计开发。

在转向架的设计开发过程中，设计团队与仿真团队之间存在隔阂，设计团队的设计成果往往以纸质形式呈现，设计思路等重要信息无法传递至仿真团队，设计的评估结果返回设计团队时，往往缺乏针对性，造成转向架设计过程时间成本的增加。所以本课题打通产品的设计过程与仿真过程，使仿真过程能够更具有针对性，同时仿真结果能够更快反作用于设计过程，进一步指导设计进行修改，更好满足产品需求。

最初，转向架的产品设计成果往往以图纸形式呈现，在CAD技术兴起之后，设计成果以三维模型的方式存储，但呈现形式依旧无法摆脱平面的约束。不仅仅是设计过程，产品的仿真验证过程也存在同样的问题。有限元分析结果往往以平面的云图或是图表形式呈现，动力学仿真的结果更是局限于图表的形式，展现的形式过于单一且缺乏直观的表现方式。本课题使用AR/VR技术，在虚拟环境中构建转向架的三维模型，通过HoloLens智能眼镜将结果以更为直观的方式呈现。

本课题以八轴电力机车转向架作为切入点，利用CATIA构建出八轴电力机车转向架的三维模型，并提取出骨架模型以便于自顶向下设计，同时制定出参数与规则，以便对三维模型中的单个零件或者整体结构进行更改。随后使用ANSYS、Simpack对于转向架进行分析，验证其强度与可靠性，并依据仿真结果返回CATIA中对于模型进行修改。最后利用AV/AR在虚拟环境中搭建三维模型，以更为直观的方式展现设计成果。

2.任务分解

首先应收集有关收集智能设计、动力学分析和可视化仿真相关知识的国内外科技文献资料，掌握相关基础知识，了解相关技术的研究现状并加以学习，学习研究思路与解决方法。然后，针对八轴机车转向架进行进一步的学习，了解其结构组成，知晓转向架中不同部分的功能与相关技术要求，便于之后的设计开发与仿真模拟,同时收集其重载工况下尺寸参数的变化，建立起由需求模型到参数模型之间的桥梁。在此基础上，对于课题进展过程中所需要使用的软件进行学习，例如CATIA、Simpack，掌握基本使用方法与相关功能模块的操作，完成转向架系统设计、3D建模、动力学分析。最后，学习VR、AR知识，完成可视化评价。

课题任务主要由以下几个部分：文献调研，八轴电力机车（HXD2）知识学习，CAD技术学习与智能设计，CAE技术学习与静强度分析、动力学仿真，AR/VR技术学习与可视化。课题开展流程如下图所示：

1、文献调研：

（1）智能设计，包括不同的技术及在CAD软件中的相关操作方法；

（2）进强度分析与动力学仿真，重点关注轨道车辆及其转向架的仿真案例；

（3）可视化，包括不同的可视化仿真方法以及其案例；

（4）电力机车转向架开发现状，包括开发过程中的痛点难点及相关参数；

2、八轴电力机车（HXD2）相关知识学习：学习八轴电力机车转向架的组成及其中各部分的功能与结构，了解开发过程与相关技术要求，构建起其需求模型到参数模型的桥梁。

3、CAD技术学习与智能设计：主要针对CATIA软件进行学习，学习CATIA中基础的软件操作，在CATIA中构建出HXD2电力机车的零件模型与装配体。并学会在CATIA中进行模块化设、变量化设计等智能设计操作，构建出转向架骨架并进行参数与关系的定义。

4、CAE技术学习与静强度分析、动力学仿真：主要针对ANSYS、Simpack进行学习，对轮对模型进行简化并将其导入ANSYS进行网格划分并进行静强度分析，在Simpack中构建出HXD2电力机车的动力学模型并进行动力学仿真。

6、AR/VR技术学习与可视化：对于AR/VR技术进行学习，使用Unity 3D在虚拟环境中构建出三维模型，并通过使用Hololens等工具实现可视化。

二、已完成工作

1、完成了HXD2电力机车参数收集与整理。

         

2、依据HXD2电力机车转向架的Solidworks模型完成了其CATIA与Creo零件的构建，并在CATIA中完成了装配体的搭建。

3、在CATIA中完成了HXD2转向架骨架的搭建，并定义好了变量与关系，对转向架进行变量化设计。

 

 

 

4、熟悉了ANSYS与Simpack的基础操作，将轮对模型导入ANSYS进行网格划分，并在Simpack中初步搭建轨道车辆的动力学模型。

在使用ANSYS对轮对模型进行网格划分过程中，发现使用Catia建立的模型导出STEP格式后，文件包含较多点、线、面的信息，导致网格划分质量很差。解决方法为：使用Creo模型并检查草图，删除不连续的线条后，导出STEP格式进行网格划分。

 

                                        

三、下一步工作计划

1、（4.6~4.15）进一步搜集HXD2电力机车相关数据，用以进行有限元分析与动力学仿真，并得到相关仿真数据；

2、（4.10~4.20）搜集重载工况下，HXD2电力机车相关参数的变化，明确需求模型与参数模型之间的对应关系；

3、（4.15~4.25）根据需求模型与参数模型的关系，进一步细化CATIA模型中的变量化设计；

4、（4.15~5.15）进行可视化相关工作，熟悉Unity 3D，利用AR/VR等相关工具，实现模型的可视化评价；

5、（4.6~5.20）进行工作的同时逐步完成论文的撰写工作，并逐步完善逻辑。

 

问题一：要注意设计、分析、可视化模型的关联关系，避免模型在多平台互通时出现精确度下降的问题。

回答：会注意对于设计尺寸进行校准，当模型在多平台间互通时会保证关键设计尺寸保持不变。

问题二：VR/AR部分具有一定的工作量，要注意进展。

回答：在之后的时间里会尽快结束仿真部分的工作尽快投入可视化的工作中，同时会提前熟悉Unity 3D等软件，保证进展。

 

 

在进行我的毕业设计过程中，最为直观的收获便是技术上的学习收获。首先，我对于CATIA、Creo等建模软件进行了学习，运用其进行三维模型的构建与装配体的搭建，同时，在此基础上学习了在CAD软件中进行自顶向下建模的方法，并初步实现了模块化、变量化设计，帮助我对于CAD软件有了进一步的认识。其次，我对于CAE软件进行了学习，更加面向实际来使用ANSYS来进行静强度分析，意识到这并不像课程作业中那样理想化，每一个参数的设计都需要遵循事实依据，还对于动力学仿真软件Simpack进行了学习，初步掌握了动力学模型的搭建，帮助我更好对工程实际问题进行分析。

毕业设计对于我的培养不仅仅局限于技术学习，还有我科研思维的培养。刚开始接触到这样一个题目，我的内心是充满疑惑的，并不完全了解这样一个课题究竟要我做些什么，带着迷茫，开始逐步进行文献的调研，从一开始摸不着头脑，不知道看哪些文献，到后来初窥门径，逐步对课题有了了解，再到后来已经能够自如向答辩老师介绍自己的毕业设计，明白自己在做什么，清楚自己该怎么做，为什么要这么做，这其中是科研思维的丰富。当我进行毕业设计的过程中，遇到困难，不再会无措，而是会用自己的所学推断这个问题的本质是什么，当我所掌握的知识无法解决时，我会去查阅文献，咨询老师，而不是盲目地沮丧。

与此同时，我深入了解了我国轨道交通行业的发展，知晓了我国是如何一步步成为铁路强国的，开拓了我的视野，增长了我的见识，让我对于我国轨道交通行业有了更高的自信与认同。