客車驅(qū)動橋殼智能化CAE系統(tǒng)的知識表示研究

張孝木

摘 要：為了開發(fā)客車驅(qū)動橋殼智能化CAE系統(tǒng)的需要，建立了某型號客車驅(qū)動橋殼的三維幾何模型，并運(yùn)用ANASY軟件對其進(jìn)行了有限元分析，得出了在典型工況下的應(yīng)力和應(yīng)變分布，分析了驅(qū)動橋殼的強(qiáng)度和剛度性能，積累了對驅(qū)動橋殼CAE分析的知識。在此基礎(chǔ)上，通過對知識工程中知識表示的研究，探討了適用于驅(qū)動橋殼CAE分析知識表示的表示方法，采用面向?qū)ο蟮闹R表示法、框架知識表示法、產(chǎn)生式規(guī)則知識表示方法三種方法的混合知識表示體系對其進(jìn)行表示，為開發(fā)客車驅(qū)動橋殼智能化CAE系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動橋殼 有限元分析 知識表示

中圖分類號：U463.218 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（a）-0084-02

客車驅(qū)動橋殼與從動橋共同支承車架及其上的各種重量，并承受由車輪傳來的路面反作用力和力矩，是汽車的重要承載件和傳力件[1]。因此，驅(qū)動橋殼應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和良好的疲勞耐久特性。合理地設(shè)計驅(qū)動橋殼是提高汽車安全性和舒適性的重要措施。因此，在設(shè)計過程中，對其進(jìn)行有限元分析具有重要意義。

知識表示是利用計算機(jī)能夠接受并且進(jìn)行處理的符號和方式來表示人類在改造客觀世界中所獲得的知識[2]。它研究的問題包括設(shè)計各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即知識的形式表示方法，研究表示與控制的關(guān)系，表示與推理的關(guān)系，以及知識表示與其它領(lǐng)域的關(guān)系。恰當(dāng)?shù)闹R表示可以使復(fù)雜的問題簡單化，便于計算機(jī)存儲、管理和利用。因此，選擇合適的知識表示方法十分重要。

本文運(yùn)用有限元法對汽車驅(qū)動橋殼進(jìn)行了靜力學(xué)分析，仿真計算出其應(yīng)力和變形，積累了驅(qū)動橋殼CAE分析的相關(guān)知識，并采用混合知識表示的方法對該領(lǐng)域的知識進(jìn)行有效表示，為下一步智能化CAE系統(tǒng)的開發(fā)了準(zhǔn)備條件。

1 客車驅(qū)動橋殼的有限元分析

客車驅(qū)動橋殼智能化CAE系統(tǒng)的研究開發(fā)建立在驅(qū)動橋殼有限元分析一般流程的基礎(chǔ)上。首先以有限元的基本理論為依據(jù)，建立驅(qū)動橋殼的有限元分析模型，然后進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析。通過對驅(qū)動橋殼進(jìn)行有限元分析，充分了解客車驅(qū)動橋殼智能化CAE系統(tǒng)所需知識的類型。

1.1 驅(qū)動橋殼有限元模型的建立

根據(jù)客車驅(qū)動橋殼的結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)，在保持其力學(xué)性能不變的條件下，對橋殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，在ug中建立驅(qū)動橋殼幾何模型如圖1所示，具體簡化方法如下：

（1）忽略橋殼的放油口、固定油管和導(dǎo)線的金屬卡、橋殼中部的開口槽、板簧座處的中心孔等幾何特征。

（2）假設(shè)半軸套管和驅(qū)動橋殼是一體的，而不是裝配體。

（3）將橋殼結(jié)構(gòu)中的圓角簡化成直角，有利于在有限元模型建立過程中提取中截面。

驅(qū)動橋殼選用ANSYS提供的solid45單元模擬，并采用ANASY自帶的智能網(wǎng)格劃分工具進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分等級為8[3]。最終的有限元模型如圖2所示，共得到191497個單元，320043個節(jié)點(diǎn)。模型的材料特性如表2所示。

1.2 載荷與邊界條件處理及結(jié)果分析

作用在驅(qū)動橋上的外載荷有：牽引力或制動力，由承載重量產(chǎn)生的垂直載荷，不穩(wěn)定運(yùn)動時的動載荷，通過不平路面時的沖擊載荷，車輪側(cè)向載荷等。由于外載荷種類很多，而且變化很大，因此，設(shè)計計算時只能選擇與驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)破壞形式有關(guān)的、具有典型性的載荷（簡稱計算載荷）為依據(jù)。故選取作用在驅(qū)動橋殼上的計算載荷為豎直載荷和水平載荷[4]。

工況一：

汽車在空載及在水平路面靜止不動。按空載時軸荷分配計算，該橋殼負(fù)荷為113000 N，左右各支撐56500 N，此時橋殼總成出現(xiàn)最小應(yīng)力值。其加載約束圖如下圖3。

工況二：

汽車在滿載以及在不平路面行駛時緊急制動，此時橋殼出現(xiàn)最大應(yīng)力值。汽車處于這種工況，受兩類動載作用，即豎直動載荷以及縱向動載荷。垂直動載荷取驅(qū)動橋滿載時豎直負(fù)荷的2.5倍，即 N。水平動載荷由縱向推力桿提供，其值取后單輪所受最大制動力大小的1.5倍，即 N。其加載約束圖如下圖4。

提交分析得到驅(qū)動橋殼不同工況下的應(yīng)力圖和變形圖如5～8所示。由上述圖顯示，客車空載時驅(qū)動橋殼最大變形約為0.108 mm，最大應(yīng)力為72 Mpa；客車滿載制動時驅(qū)動橋殼最大變形約為0.391 mm，最大應(yīng)力為193 Mpa，均小于該橋殼用鋼的屈服極限430 Mpa，橋殼的剛度和強(qiáng)度均滿足整車的承載要求。

2 驅(qū)動橋殼CAE分析知識表示研究

在智能化設(shè)計系統(tǒng)中，常用的知識表示方法有：產(chǎn)生式表示法、語義網(wǎng)絡(luò)表示法、框架表示法、謂詞邏輯表示法、面向?qū)ο蟊硎痉ā⑷斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)表示法、基于粗糙集表示法等單一表示法，它們有各自的優(yōu)點(diǎn)，但也存在著缺陷，見表1[5]。采用單一的知識表示方法，往往不能準(zhǔn)確地表達(dá)具體復(fù)雜的知識結(jié)構(gòu)，因而，在智能化設(shè)計系統(tǒng)中采用多種知識表示相結(jié)合的方式進(jìn)行知識的表示。

通過對驅(qū)動橋殼的有限元分析可知， CAE分析是一項復(fù)雜的設(shè)計任務(wù)需要多方面的知識。單一的知識表示方法已不能滿足智能化設(shè)計系統(tǒng)的需要，本文把幾種單一的知識表示混合起來使用，克服單一表示方法的局限性，發(fā)揮多種表示方法的長處。

根據(jù)分析其知識的特點(diǎn)主要采用以下知識表示方法：

（1）面向?qū)ο蟮闹R表示法。它是將多種單一的知識表示方法（框架、規(guī)則、過程）按照面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計原則組成一種混合知識表達(dá)形式，其采用類來進(jìn)行數(shù)據(jù)抽象，并把作用在該抽象數(shù)據(jù)上的操作封裝在類中，即以對象為中心，將對象的屬性、動態(tài)行為和特征、相關(guān)領(lǐng)域知識和數(shù)據(jù)處理方法等有關(guān)知識“封裝”在表達(dá)對象的結(jié)構(gòu)中[6]。在對CAE分析相關(guān)知識進(jìn)行面向?qū)ο蟮谋硎緯r，根據(jù)不同的分析問題，可將分析類分為靜力分析類、動力分析類和頻率分析類[7]。而在單一分析中也存在不同的類，其中施加載荷的表示如下所示：

類名：載荷

父類名：無

屬性表：載荷方向（豎直方向，水平方向）

……

（2）框架知識表示法?？蚣艿钠毡楸硎拘问绞前阉硎境梢粋€嵌套的連接表：

（<框架名>（<槽名1>……）（<槽名2>……）……）；

（<槽名>（<側(cè)面名1>……）（<側(cè)面名 2>……）……）；

（<側(cè)面名>（<值1>……）（<值2>……）……）。

一個框架可擁有任意數(shù)目的槽，每個槽又可以擁有任意數(shù)目的側(cè)面，每個側(cè)面可以擁有任意數(shù)目的值。槽值既可以是簡單的數(shù)值，也可以是抽象的數(shù)據(jù)，還可以是方法[8]?？蚣艿谋硎痉椒ㄊ朱`活，具體或者抽象的知識都可以通過框架來表示，因此，在驅(qū)動橋殼智能化CAE系統(tǒng)開發(fā)過程中得到了應(yīng)用，例如對材料特性可進(jìn)行如表3表示。

（3）產(chǎn)生式規(guī)則知識表示方法。其形式是IF（condition|situation），THEN（conclusi on|action），由于其接近于人類的自然語言，表示知識的直觀性強(qiáng)，易于直接表達(dá)領(lǐng)域知識，因此，在驅(qū)動橋殼智能化CAE系統(tǒng)開發(fā)過程中也采取了該種表示方法，如，IF客車滿載時驅(qū)動橋殼最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，THEN橋殼滿足整車的載荷承載要求。

對于語義網(wǎng)絡(luò)表示法、謂詞邏輯表示法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表示法等，其雖有自身優(yōu)點(diǎn)，但其不適用于智能化CAE系統(tǒng)的知識表示，故該系統(tǒng)決定采用面向?qū)ο蟮闹R表示為主，框架式、產(chǎn)生式等知識表示方法為輔的基于面向?qū)ο蟮幕旌现R表示方法來完成驅(qū)動橋殼CAE分析各種類型知識的描述與表示。

3 結(jié)語

本文通過運(yùn)用ANASY軟件對某型號客車驅(qū)動橋殼進(jìn)行靜力學(xué)分析，積累了該型號客車驅(qū)動橋殼CAE分析的經(jīng)驗知識，在此基礎(chǔ)上利用混合表示的方法對相關(guān)知識進(jìn)行了知識表示研究，為進(jìn)一步開展知識推理、知識管理研究準(zhǔn)備了條件；為運(yùn)用KBE技術(shù)實現(xiàn)客車驅(qū)動橋殼智能化CAE系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)；為相似智能化CAE系統(tǒng)的開發(fā)提供了參考，具有重要的應(yīng)用價值。

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