数字化三维CAD在上海国产化A型地铁列车项目中的运用

吕元颖1上海轨道交通设备发展有限公司 (200233)2同济大学 (201804)

吕元颖（1984年~），男，本科，工程师，主要从事铁道与城市轨道交通研究。

0 三维计算机辅助设计概述

自20世纪80年代以来，计算机辅助设计（CAD）技术已得到了广泛应用，并且在产品设计、制造过程中显现出巨大的优越性。进入21世纪，随着计算机性能的提高、信息处理的智能化，计算机辅助设计（CAD）技术也进入了新阶段，产品研发设计手段正从二维CAD向三维CAD过渡。目前，一些工业发达国家的企业已完成了CAD技术上的跳跃，而我国大部分企业尚停留在二维设计的水平，二维CAD仍是行业中最普遍使用的设计工具。然而，随着工业的飞速发展，对产品设计和生产的要求也日益增高，传统的二维CAD已无法解决设计中一些困难问题:复杂的投影线及曲面生成、检测结构件干涉情况、机构运动关系分析、产品设计更改与产品数据管理等。

为了避免由研发设计失误而造成的经济损失，上海国产化A型地铁列车项目完全采用三维CAD设计，并探索出一条基于城轨车辆研制的数字化三维CAD设计集成平台。该平台不仅保证了A型地铁列车研发设计、工艺、采购、生产和组装的成功实施，而且为车辆仿真分析和优化设计提供了数据模型。目前，A型地铁列车已在上海地铁9号线载客运营10万km，并通过了项目验收。

1 A型地铁列车项目三维CAD设计平台和流程简介

A型地铁列车项目设计完全基于城轨车辆研制的数字化三维CAD设计集成平台，该平台保证了项目设计的顺利实施。

该平台的三维CAD系统采用了法国达索CATIA软件，PDM系统采用Smarteam软件。三维CAD应用贯穿于A型地铁列车项目的各个设计阶段，以CATIA骨架模型为基础进行整车及零部件的三维建模和装配；通过CATIA工程图模块完成车辆施工图样设计；并采用Smarteam系统管理所有三维CAD数据和施工图样。

上海国产化A型地铁列车项目三维CAD设计流程可以按照以下6个步骤进行，如图1所示。

图1 设计流程

(1) 从合同或技术规格书中得到该产品的总体技术指标。

(2) 按照技术指标进行总体规划，并参照相应标准及借鉴以往成熟产品进行车辆总骨架设计，如果借用以往产品中的设计信息，必须断掉参数。

(3) 各个大部件设计以车辆总骨架文件为基准，进行大部件子骨架的设计。

(4) 进行具体零件的设计，仅允许与该系统大部件子骨架保持外部关联，其余来源的参考元素可以使用，但是必须断掉参数。

(5) 将设计完成的零件调入到装配设计，并进行分析检查工作，进一步完善设计。

(6) 按照三维零件与装配件投影二维工程图，并标注尺寸，添加标题栏、生成明细栏及文字注释等，完成施工图样的设计。

2 A型地铁列车项目的三维CAD设计方法

2.1 A型地铁列车项目的三维CAD设计模板

为了满足A型地铁列车项目产品研发的需求，在设计初始阶段共开发了6种三维CAD模板：骨架设计模板、零件设计模板、复合材料设计模板、曲面零件设计模板、外来部件模板和装配设计模板。上述6种模板基本能满足不同种类零部件设计和装配设计的需要，并使设计结果更为准确，设计过程更加方便，更具效率。

2.2 骨架设计

骨架是CATIA三维设计的源头，它控制着整车或整个系统的布局，其本身并不是一个单独零部件，而是掌控所有零部件大小与定位尺寸的特殊文件。骨架文件的重要性不言而喻，骨架按其作用范围分为两类，总骨架和子骨架。对于A型地铁列车项目来说，一列编组车辆共有三种车型，带司机室的拖车（A车）、带受电弓的动车（B车）、动车（C车）。每种车型各自拥有一个总骨架文件，而其下属的大部件则拥有子骨架文件。车辆总骨架文件的内容来自于车辆总体设计所确认的引用标准、车辆主要技术规格、车辆总体布置、基本技术条件等信息。而部件子骨架文件的内容则来自于车辆总骨架文件发布的信息，由设计师根据大部件设计内容添加所需要的信息。

无论是车辆装配的总骨架文件还是其下属大部件装配的子骨架文件，其设计方法都是相同的。 例如，车体铝结构骨架文件是控制铝合金车体所有零部件的源头，它确立了其下级所有零部件的大小与定位尺寸。

首先，车体铝结构骨架文件需要获取设计信息，这些信息通常由总设计师完成，并在车辆总骨架文件中发布。信息内容包括：轨面、车辆定距中心面、车辆纵向中心面、车体轮廓线、车辆限界、枕梁中心面、车体外端面、空调平台面、地板布平面、车门和车窗中心面等。具体操作就是将外部参考信息由车辆总骨架文件复制到车体铝结构骨架文件中，而这些信息在设计过程中始终关联于总骨架文件。骨架文件可以参考历史车型的信息，但一般需要断掉相关参数。

其次，设计师根据引用信息来设计车体铝结构的基本信息。A型地铁列车项目车体结构采用大断面铝合金挤压型材的整体焊接承载结构。车体轮廓为梯形，带受电弓的动车（B车）和动车（C车）车体主要由底架、侧墙、端墙、车顶组成，带司机室的拖车（A车）额外增加一个司机室结构。就车体铝结构骨架文件而言，需要设计的信息就是车体外轮廓型材断面及一些结构件的大小及定位尺寸，便于下级底架、侧墙、端墙、车顶、司机室结构部件设计的实施。车体型材断面一般采用草图工具设计，其定位面采用车辆定距中心面。

最后将这些信息归类并发布，如图2、图3所示。

2.3 零件设计

由于车辆研发设计是一个庞大的工程，需要多个专业组协同研发设计，所以零件种类繁多，甚至有些零件结构非常复杂。为了提高设计效率，采用不同的方法来实现零部件设计。一般来说，应尽可能地采用最简单的基本特征来建模，以加快设计速度，减少存储空间，提高装配速度，方便设计修改。

A型地铁列车项目将零件设计归结为8类。

2.3.1 简单零件的设计

对于比较简单的零件，如垫圈、套筒、薄板类零件、加强结构等，由于这类零件结构相对简单，所以建模步骤很少。这些零件设计都采用零件设计模板，一般先采用草图设计创建生成特征的轮廓线，然后利用特征命令，生成三维实体，如图4所示。

图4 简单小零件

又如车体铝结构侧墙型材零件，首先，从车体铝结构骨架文件获取已发布的型材断面信息；然后，通过主特征基准，将型材断面进行拉伸，并采用添加或切除特征命令对铝结构侧墙型材零件模型进行加工，使之达到最终设计要求，如图5所示。

图5 铝型材零件

2.3.2 铸件的设计

铸件结构一般比较复杂，难点在于如何清晰准确地拆分零件的结构，以方便模型的设计与修改。铸件设计同样采用零件设计模板。

例如转向架轴箱设计，首先，定义设计对象的基本形状与位置，将其分成几个独立的部分，并分别建模，如图6所示；其次，用合适的结构将几个独立部分连起来，并采用布尔加减运算，形成一个整体三维模型；最后，进行开孔、倒圆、拔模等特征操作，完成最终模型，如图7所示。

图6 轴箱主体部分

图7 轴箱最终实体

2.3.3 对称件的设计

对于对称件而言，规定一般采用先设计右件，对称左件的方法。对称件又可以分为两类，一种是完全对称的，还有一种则是基本对称。

例如侧墙左右门立柱零件，可以先按普通零件设计方法完成侧墙右门立柱零件；然后，将右件模型结果发布；最后将其发布结果带关联地复制到侧墙左门立柱零件设计文件中，完成左件设计。如果左件需要作设计修改，那么可以直接在其最终实体上进行特征操作。倘若右件设计更改，那么左件也会相应自动调整，如图8、图9所示。

图8 侧墙门立柱右件

图9 侧墙门立柱左件

2.3.4 复合材料件的设计

复合材料件的结构相对简单，但在多种材料综合运用时，系统难以统计其重量、重心等数据。为了解决这一问题，引入复合材料件设计模板。

以司机室外罩为例，司机室外罩材料主要以玻璃钢为主，为了满足安装需要，在玻璃钢件中预埋了许多铝型材吊挂槽和铝板，所以司机室外罩构成了一个复合材料零件。首先，将司机室外罩零件所有材料进行分类，按照复合材料编号与相关材料属性一一对应；然后，按照材料分类分别进行三维实体建模，其建模方法与普通零件设计方法相同，如图10、图11所示。

图10 司机室玻璃钢

图11 预埋零件

2.3.5 曲面零件的设计

曲面零件的形状比较复杂，大部分的工作量都集中在曲面设计中，其采用曲面零件设计模板。

以座椅零件为例，座椅零件表面采用易于成形的玻璃钢材料。首先，座椅零件文件从客室布置骨架文件获取发布的轮廓和定位信息，这些信息在设计过程中始终关联于客室布置骨架文件；其次，在参考信息创建内部参考面和线等信息的基础上，生成多条座椅表面断面曲线，如图12所示；然后，采用曲面放样命令生成座椅曲面；最后，采用曲面增厚命令将座椅表面生成为三维实体模型，并对实体模型进行修改，最终达到设计要求，如图13所示。

2.3.6 空气管路设计

运用CATIA管路设计模块对地铁车辆进行空气管路设计，其特点是：方便、简单、快捷；主要目的是：得到软管或硬管在空间走向和尺寸。优点：使空气管路在整车布置的更合理，尺寸准确，更缩短了开发周期。其主要步骤如下：

(1) 在Tubing Design模块中给机械属性的零件附加管路属性。

(2) 在“库编辑”模块中把定义成管路属性的零件如：管接头、 附件等做成库文件。

(3) 在管路设计模块Tubing Design中进行制动或气动零件放置。

(4) 在管路设计模块Tubing Design中进行元件的软管或硬管连接。

(5) 在管路设计模块Tubing Design中给管路增加管接头或其他附件。

设计效果如图14所示。

图14 空气管路的设计

2.3.7 电气布线设计

运用CATIA电气设计模块对地铁车辆进行电路布线设计，其特点是：方便、简单、快捷；主要目的是：得到线束在空间走向和尺寸。优点：使线束在整车中布置的更合理，尺寸准确，更缩短了开发周期。其主要步骤如下：

(1) 在Electrical Part Design模块中给机械属性的零件附加电器属性。

(2) 在“库编辑”模块中把定义成电器属性的零件如：连接器、扎带、橡胶件等做成库文件。

(3) 在线束装配模块Electrical Harness Assembly中进行电器零件放置。

(4) 在线束装配模块Electrical Harness Assembly中进行元件的连线。

(5)在线束装配模块Electrical Harness Assembly中给线束增加保护覆盖物。

设计效果如图15所示。

图15 电气布线设计

2.3.8 外来零部件的管理

外来零部件是指由供应商提供的三维模型。这些模型需要导入A型地铁列车项目数据库，校验其装配尺寸，并统计整车重量、计算整车重心。这些外来件通常是一些设备，例如门机构、空调系统、受电弓机构、贯通道、车钩等，而这些模型采用的数据通常与A型地铁列车三维CAD设计平台不同。为了规范外来零部件的管理，将外来部件模型导入外来部件模板，并在相关信息栏中填入由供应商提供的重量及其重心坐标等信息，以方便数据运用和管理，如图16所示。

图16 外来部件

3 装配设计

装配设计是整个产品完整呈现的必要步骤，也是零部件设计的进一步完善和深化。以A型地铁列车项 目总装配为例，列车为六辆编组，车种分为带司机室的拖车(A车)、带受电弓的动车(B车)和动车(C车)，车辆编组形式为-A*B*C=C*B*A-，如图17所示。在CATIA三维装配设计中，A型地铁列车总装配用结构树目录来表示，如图18所示。

图7 上海国产化A型地铁列车结构树目录

对于城轨车辆来说，需要多个专业组协同研发设计，部件种类非常多，这就需要装配设计先期统筹规划。以带受电弓的动车(B车)为例，其总装配下属子部件有19个，装配图结构树如图8所示。

图8 带受电弓的动车（B车）结构树目录

车体铝结构和转向架是A型地铁列车项目的关键部件。这些大部件三维模型由数量庞大的零部件、标准件等组成，如图19、图20所示。

4 工程图生成

利用三维CAD设计完成产品设计后，就可以高效、直观的方式进行产品二维工程图纸设计，用于产品的生产。A型地铁列车项目设计采用CATIA二维绘图模块生成工程图样。这样可以从已完成的三维零部件模型中，准确、快速地生成相关联的工程图样，包括各方向视图、剖面图、剖视图、局部放大图、轴侧图；可自动标注或手动标注；剖面线的填充；生成企业标准的图样；生成部件装配图的材料明细栏等，并且可以生成DXF和DWG等其他格式的文件，如图21所示。

图21 工程图样

5 三维CAD设计运用在A型地铁列车项目中的优点

通过A型地铁列车项目的研制开发验证了一套基于城轨车辆研制的数字化三维CAD设计集成平台。该平台比传统的二维CAD设计平台更具优势。

5.1 骨架设计驾驭整车设计

运用骨架设计控制整车或整个部件的布局，理清产品设计思路，规划总体设计方案。为后续施工设计工作提供了信息和依据，确立了其下级所有零部件的大小与定位尺寸。如果方案设计需要修改，可直接调整车辆总骨架文件或部件子骨架文件，其修改信息会自动延续到下级零部件。

5.2 零件设计操作更加灵活

在设计初始阶段，开发了普通零件、复合材料、曲面零件、外来零部件等设计模板。这些模板满足了不同种类零件的设计需求，使设计过程更加灵活便捷。

使用三维CAD设计，可以在装配环境中根据骨架文件信息直接创建新零件，也可以利用相邻零件的位置及形状来设计新零件，既灵活又快捷，避免了单独设计零件导致装配失败。资源查找器中的零件回放功能可以清晰地演示零件设计的整个过程。

5.3 装配设计组装更具效率

通过运用装配设计模板使零部件装配更具效率。

在装配过程中，资源查找器中的装配路径记录了零部件之间的装配关系，若装配不正确即予以显示。另外，当隐藏了部分零件的时候，可清晰地浏览车辆内部的装配结构。整个车辆部件装配模型完成后还能进行各种运动演示。对于有一定行程要求的运动机构，可检验行程是否达到要求；也可采用爆炸运动模拟，检验零部件装配可行性。如有干涉，及时对设计进行更改，避免生产过程中发生过多修改或报废。

5.4 二维图样生成更加方便

利用三维CAD设计完成产品研发设计后，就可以高效、直观的方式进行零部件二维工程图样生成。虽然利用三维模型生成二维工程图样过程略显繁琐复杂，但这种方法仍为出图带来许多好处。其可以通过三维模型自动生成各方向视图、完成基本标注、生成部件装配图的材料明细栏等，并且可以根据三维模型设计修改，自动更新二维工程图样内容。为了兼容传统二维CAD设计软件，二维工程图样模块可以很方便地生成DXF和DWG等其他格式的文件。

5.5 缩短产品设计周期

采用三维CAD技术，缩短了车辆研发设计时间，大幅度地提高了设计和生产效率。在运用三维CAD系统进行新车辆研发设计时，只需对其中部分零部件进行重新设计，而大部分零部件的设计都将继承以往项目的信息，提高了车辆研发设计效率。

5.6 兼容其他计算机辅助工具

三维CAD技术能有效地兼容CAE、CAPP、CAM等计算机辅助工具。三维CAD技术可为CAE技术提供数据模型，为有限元模型提供依据，配合完成车体结构强度、模态、稳定性、碰撞安全性等计算分析，保证了车辆设计要求。同时，三维CAD技术又能配合CAPP和CAM技术，完成零部件数控加工，保证了车辆产品的设计质量。

5.7 集成PDM系统数据管理

三维CAD设计文件运用PDM系统进行数据管理。运用PDM系统产品数据结构编辑功能，可建立车辆产品数据结构模型，对产品的三维模型、二维工程图样、明细栏进行有序、可控的管理，并建立了车辆产品数据库，实现了明细表、标准件、外购件和原材料汇总表等自动生成功能。

6 结语

采用数字化三维CAD设计平台，保证了A型地铁列车项目研发设计和试制的成功。车辆性能和各项试验数据均满足设计指标的要求；车辆布局更加科学合理，符合人机工程学；有效地缩短了车辆研发周期，提高了设计效率，降低了生产成本，保证了产品质量。

上海国产化A型地铁列车项目研发设计探索出了一套基于城轨车辆研制的数字化三维CAD设计流程，开发了一个既满足现有应用需要，又可扩充、可发展的开放设计平台，提升了我国轨道交通车辆的研发水平，为后续车型的研发设计打下了良好的基础。

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