虚拟装配在城轨车辆结构设计的应用

刘广 张龙 吴祖乐 闫昕

摘 要：对于城轨车辆的整体组装，因结构和装配顺序问题导致的干涉是造成城轨车辆制造资源的浪费；且对于结构复杂、作业空间狭小区域，在设计初始阶段判别是否有可操作性至关重要。由此引入虚拟装配技术，虚拟装配是以零部件的三维模型为基础，可利用三维数据仿真装配操作的全过程。在城轨车辆结构设计阶段引入虚拟装配技术，可提前发现装配过程中的各类问题（装配干涉、现场作业空间不足），有效避免因结构和装配顺序问题导致的干涉和作业困难等问题，从而提升数字化装配水平，优化设计、工艺、缩短产品研制周期。

关键词：结构设计；虚拟装配；城轨车辆

1引言

城轨车辆传统设计流程如图 1-1所示，设计结构通过“结构审核”进入制造现场，在制造过程中发现因结构和装配顺序问题导致的干涉，以及作业空间狭小无法作业等问题，再反馈予以设计部门，通过“结构变更”的方式优化结构。由于传统三维辅助设计系统只是静态分析模型内组装件的干涉情况，即只分析零件组装完成的最终状态是否有干涉，难以动态模拟各个零件从装配前至装配完成的整个组装流程。城轨车辆结构相对复杂，传统“结构审核”难以充分暴露结构问题，大量的“问题反馈”和“结构变更”造成城轨车辆制造资源的巨大浪费。由此，设计阶段引入虚拟装配技术，避免因结构和装配顺序问题导致的干涉和作业困难等问题，对在城轨车辆结构设计与制造至关重要。

2虚拟装配技术

虚拟装配是以零部件的三维实体模型为基础，利用实体模型在计算机上仿真装配操作的全过程，实现产品的装配规划和评价，生成指导实际装配现场的工艺文件。

2.1虚拟装配的分类

1）以产品设计为中心的虚拟装配

找出零部件结构设计中不适合装配或装配性能不好的结构特征并进行设计修改，最终保证所设计的产品从技术角度来讲装配是合理可行的，从经济角度来讲应尽可能降低产品总成本，同时还必须兼顾人机工程等因素。

2）以工艺规划为中心的虚拟装配

获得可行且较优的装配工艺方案，指导装配生产。分为系统级装配规划和作业级装配规划，前者是装配生产的总体规划，主要包括生产规模、资源分配、装配车间布置、装配生产线平衡等内容；后者主要指装配作业与过程规划，主要包括装配顺序的规划、装配路径的规划、工艺路线的制定等内容，客观地反映产品装配的真实过程。

2.2虚拟装配技术的用途

应用装配仿真技术能够在产品设计阶段消除潜在的装配缺陷，评价车辆的装配性，提前发现装配过程中的各类问题，大幅提升数字化装配工艺设计水平。随着数字化制造技术的逐步深入，装配仿真技术已经成为优化工艺设计、缩短产品研制周期和降低成本的必要手段。

3虚拟装配实现过程

3.1数据准备

数据准备包括模型的建立和导入。通过三维辅助系统可导出对应项目的模型数据，模型導入后应根据装配层次的需要对工程数据集中的零部件进行重组（如图 3 1所示），对仿真环境中的模型进行静态干涉检查，确认产品对象的初始状态没有任何干涉，并对它们的初始状态进行记录。

4装配工艺过程分析与优化

装配过程仿真阶段是指通过装配路径规划，实现装配工艺过程仿真，检查装配过程中产品零部件的动态干涉和碰撞情况，验证装配工艺的可行性。编辑移动零部件的运动路径，并实时检验零部件在运动过程中是否与其他对象发生干涉或碰撞（如图 4 1红色箭头指示为干涉区域），从而及时调整运动路径。

根据装配过程仿真中的验证结果，对装配过程中存在干涉情况进行分析，通过对装配路径的改进、工艺流程的重新设汁和调整，甚至对产品、资源进行设计改进，保证装配过程无干涉、无碰撞，完成合理的装配工艺过程。当装配工艺改进仍不能满足要求时，需对产品设计的问题进行反馈与优化，直到得到合理的装配。

5人机工程分析

在安装隔墙时，作业空间狭小，操作人员无法用扭矩板子紧固螺栓，如图 5 1（a）所示。图示人体模型由若干关节组成，各个关节的操作舒适度会以颜色实时显示，其中红色代表是疲劳状态，绿色表示舒适；当前结构使员工处于疲劳状态。对结构进行优化（隔墙增加禁固孔）后，如图 5-1（b）所示，操作员工的疲劳状态已消除。

6总结

虚拟装配以零部件的三维实体模型为基础，仿真装配操作的全过程，可提前发现装配过程中的干涉以及操作空间狭窄作业困难的问题；可进行人机工程分析，降低操作人员的作业强度；可节约由大量“问题反馈”和“结构变更”造成城轨车辆制造资源的浪费，降低试制成本、缩短周期；设计阶段引入虚拟装配技术，对城轨车辆的制造有一定的指导意义。

参考文献：

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