地鐵車輛車體快速設(shè)計(jì)方法*

鐘元木 黎偉洋 韓 鑫

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)中心，266111，青島；2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造研究所，610031，成都//第一作者，高級(jí)工程師)

車體是列車的主要承載部分，車體的性能直接影響到列車的安全性和穩(wěn)定性。地鐵車輛車體是骨架結(jié)構(gòu)型產(chǎn)品，具有結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜、零部件多且為結(jié)構(gòu)件等特點(diǎn)。鐵道車輛設(shè)計(jì)已有多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)成果豐富，但目前車體設(shè)計(jì)對(duì)以往設(shè)計(jì)知識(shí)的重用率較低，無法高效利用這些知識(shí)進(jìn)行車體的快速設(shè)計(jì)。因此，研究1套地鐵車輛車體的快速設(shè)計(jì)方法，對(duì)實(shí)現(xiàn)車體設(shè)計(jì)知識(shí)的有效重用、提高車體的設(shè)計(jì)效率具有重要意義。

目前，產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)主要通過產(chǎn)品配置與產(chǎn)品變型來實(shí)現(xiàn)。在配置設(shè)計(jì)方面，目前常采用基于實(shí)例、規(guī)則和約束等方法。文獻(xiàn)[1]采用實(shí)例與規(guī)則相結(jié)合的配置方法，結(jié)合環(huán)境因素，實(shí)現(xiàn)了面向運(yùn)營環(huán)境的高速列車車體配置設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[2]采用基于約束的配置方法，通過求解得到滿足客戶需求的產(chǎn)品。在變型設(shè)計(jì)方面，目前主要采用關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)，并通過產(chǎn)品的參數(shù)化變型來快速響應(yīng)客戶動(dòng)態(tài)變化的需求。文獻(xiàn)[3]將關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)翼設(shè)計(jì)，在保證性能的前提下極大地提高了設(shè)計(jì)效率。雖然目前已有大量關(guān)于產(chǎn)品配置與變型設(shè)計(jì)技術(shù)方面的研究，并部分應(yīng)用于高速列車設(shè)計(jì)[4]。但目前對(duì)地鐵車體的研究仍多側(cè)重于車體強(qiáng)度、氣密性和輕量化等方面[5-7]，還未形成1套適用于地鐵車輛車體的快速設(shè)計(jì)方法。

針對(duì)上述問題，本文將運(yùn)用配置設(shè)計(jì)技術(shù)與變型設(shè)計(jì)技術(shù)，提出1套基于客戶需求驅(qū)動(dòng)的地鐵車輛車體快速設(shè)計(jì)方法，以支持設(shè)計(jì)知識(shí)的有效重用，進(jìn)而提高車體的設(shè)計(jì)效率，以增強(qiáng)企業(yè)的市場適應(yīng)能力和競爭力。

1 地鐵車輛車體快速設(shè)計(jì)框架

1.1 地鐵車輛車體主模型構(gòu)建

針對(duì)地鐵車輛車體的層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件繁多、設(shè)計(jì)知識(shí)重用率不足等特點(diǎn)，本文提出車體主模型的概念。主模型包含與產(chǎn)品相關(guān)的所有幾何和非幾何信息，是進(jìn)行地鐵車輛車體快速設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。車體主模型包含配置結(jié)構(gòu)模型、變型結(jié)構(gòu)模型和設(shè)計(jì)知識(shí)模型，如圖1所示。

注：CBR表示實(shí)例推理技術(shù)

配置結(jié)構(gòu)模型是配置設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。該模型由GBOM(基于產(chǎn)品配置模型)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品實(shí)例組成。GBOM結(jié)構(gòu)可以表述一類產(chǎn)品共有的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，是構(gòu)建其他模型的基礎(chǔ)；產(chǎn)品實(shí)例是企業(yè)長期積累的資源，在新產(chǎn)品開發(fā)中，可以通過重用相似實(shí)例提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。

變型結(jié)構(gòu)模型是產(chǎn)品的參數(shù)化模型。該模型通過變更驅(qū)動(dòng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品變型，是變型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。同時(shí)該模型包含了骨架模型和三維模型。骨架模型是一個(gè)抽象的裝配設(shè)計(jì)模型，能夠反應(yīng)產(chǎn)品的空間布局和裝配關(guān)系；產(chǎn)品三維模型是基于骨架模型建立的CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))模型，能支持模型的可視化和產(chǎn)品的虛擬裝配，是進(jìn)行強(qiáng)度分析、氣密性檢驗(yàn)等仿真分析的基礎(chǔ)。

設(shè)計(jì)知識(shí)模型是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，包含特征參數(shù)映射知識(shí)、特征參數(shù)傳遞知識(shí)、CBR配置規(guī)則，以及特征參數(shù)。特征參數(shù)映射知識(shí)是客戶需求與產(chǎn)品級(jí)特征參數(shù)之間的映射關(guān)系，如載客量與車體寬度的關(guān)系等。這些關(guān)系由設(shè)計(jì)原理或經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行確定。特征參數(shù)傳遞知識(shí)是產(chǎn)品級(jí)與模塊級(jí)之間、零件與零件之間，以及零件自身特征參數(shù)之間的約束關(guān)系，如車體寬度與地板寬度的關(guān)系，這種關(guān)系多為函數(shù)關(guān)系。CBR配置規(guī)則則用于檢索已有的相似實(shí)例。特征參數(shù)包括關(guān)鍵參數(shù)和一般參數(shù)。關(guān)鍵參數(shù)是對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能影響最重要的參數(shù)，是配置設(shè)計(jì)的配置參數(shù)和變型設(shè)計(jì)中的驅(qū)動(dòng)參數(shù)；一般參數(shù)相對(duì)關(guān)鍵參數(shù)而言，主要由從動(dòng)參數(shù)組成。

1.2 地鐵車輛車體快速設(shè)計(jì)流程

結(jié)合某主機(jī)廠車體的實(shí)際研發(fā)流程，在地鐵車輛車體主模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建車體的快速設(shè)計(jì)流程(見圖2)。該流程包括概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)兩個(gè)階段。

圖2 地鐵車輛車體快速設(shè)計(jì)流程

(1) 階段1：概念設(shè)計(jì)。概念設(shè)計(jì)階段即要明確車體構(gòu)成元素及元素間關(guān)系，以及確定產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)。首先，基于特征參數(shù)映射知識(shí)將客戶需求映射為車體的特征參數(shù)。然后，以此作為車體產(chǎn)品級(jí)配置的輸入，若配置成功，則直接輸出新訂單車體；若失敗，則提取出相似度最高的實(shí)例所屬的車體骨架模型，并根據(jù)新訂單要求對(duì)其進(jìn)行修改，從而確定新訂單車體的整體布局，為后續(xù)的虛擬裝配奠定基礎(chǔ)。

(2) 階段2：詳細(xì)設(shè)計(jì)。詳細(xì)設(shè)計(jì)階段即對(duì)車體零部件實(shí)體進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先，進(jìn)行模塊級(jí)配置設(shè)計(jì)，如配置成功則直接重用模塊，若失敗則選擇相似度最高模塊所屬的變型結(jié)構(gòu)模型完成變型設(shè)計(jì)。然后，將配置設(shè)計(jì)和變型設(shè)計(jì)得到的所有模型通過車體骨架模型完成虛擬裝配，以得到整機(jī)模型。在完成強(qiáng)度、疲勞等仿真分析后，將其儲(chǔ)存至實(shí)例庫。

2 基于CBR的地鐵車輛車體配置設(shè)計(jì)

產(chǎn)品配置是一種能有效重用以往的可配置組件，并快速形成符合需求的新產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)技術(shù)。由于CBR是一種只憑以往產(chǎn)品實(shí)例和設(shè)計(jì)知識(shí)就能進(jìn)行推理的技術(shù)，該技術(shù)通過最大程度地重用實(shí)例來提高知識(shí)重用率和設(shè)計(jì)效率。結(jié)合地鐵車體結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜、零部件繁多等特點(diǎn)，本文采用了CBR進(jìn)行地鐵車體配置設(shè)計(jì)。

CBR的主要任務(wù)是檢索實(shí)例，其核心問題是選擇檢索策略。傳統(tǒng)方法對(duì)數(shù)量型屬性，即以特征參數(shù)為范圍值(如車內(nèi)噪聲≤80 dB(A))的實(shí)例檢索效果較差。本文采用模糊相似優(yōu)先比法，可有效解決上述問題[8]。該方法的設(shè)計(jì)步驟簡述為：

(1)確定特征參數(shù)。即通過特征參數(shù)映射知識(shí)將客戶需求映射為車體特征參數(shù)。

(2)確定最優(yōu)實(shí)例。首先采用層次分析法[9]確定特征參數(shù)的權(quán)重，再結(jié)合各實(shí)例的模糊相似排序進(jìn)行計(jì)算，從而得到每個(gè)實(shí)例的相似度，相似度最高的即為最優(yōu)實(shí)例。由于可能會(huì)出現(xiàn)所有實(shí)例相似度均較低的情況，因此在實(shí)例推理中需要給定閥值δ，只有當(dāng)相似度S≥δ時(shí)，才輸出滿足需求的實(shí)例。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，本文δ取0.75。如果S<δ，則配置失敗，此時(shí)需選擇最相似實(shí)例所屬的變型結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行變型設(shè)計(jì)。

3 基于關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的地鐵車輛車體變型設(shè)計(jì)

變型設(shè)計(jì)是一種充分利用已有的設(shè)計(jì)資源來快速響應(yīng)新訂單需求的設(shè)計(jì)方法。這種方法能在保證原有產(chǎn)品的基本原理、結(jié)構(gòu)和功能不變的前提下，通過變更產(chǎn)品局部結(jié)構(gòu)、參數(shù)和約束生成新訂單產(chǎn)品[3]。實(shí)現(xiàn)地鐵車輛車體變型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是車體主模型中變型結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建，而關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)正是實(shí)現(xiàn)變型結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)是通過利用參數(shù)化設(shè)計(jì)原理，來建立零部件間的驅(qū)動(dòng)關(guān)系的設(shè)計(jì)方法，具體表現(xiàn)為零部件間幾何元素的重用，以及使用上游零部件設(shè)計(jì)信息對(duì)下游設(shè)計(jì)過程進(jìn)行約束和控制等[3]。

目前，大部分CAD軟件都支持產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)。CATIA(計(jì)算機(jī)輔助三維交互應(yīng)用)軟件通過發(fā)布、帶鏈接粘貼等功能支持關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，并且這些功能可以有效梳理零部件之間的鏈接關(guān)系。本文以CATIA軟件為平臺(tái)，結(jié)合CATIA軟件中GSD(創(chuàng)成式外型設(shè)計(jì))、KWE(知識(shí)工程)、ASD(裝配體設(shè)計(jì))和PDG(零件體設(shè)計(jì))等4個(gè)模塊，采用關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)構(gòu)建變型結(jié)構(gòu)模型。

變型結(jié)構(gòu)模型包括骨架模型與三維模型。其中，骨架模型包括設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、設(shè)計(jì)參數(shù)，以及設(shè)計(jì)規(guī)則3類信息。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)是反映產(chǎn)品布局和接口形式的元素，如列車軌面等；設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括產(chǎn)品的定位與接口參數(shù)，如車體長度等；設(shè)計(jì)規(guī)則是設(shè)計(jì)參數(shù)之間的約束關(guān)系，如車門數(shù)量與車長關(guān)系等。零件三維模型除包含上述元素外，還包括拉伸等實(shí)體特征。變型結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建流程如圖3所示，具體步驟如下：

(1) 步驟1：頂層骨架模型構(gòu)建。結(jié)合GSD和KWE模塊構(gòu)建頂層骨架模型。首先，在GSD模塊中，根據(jù)車體的結(jié)構(gòu)布局、接口形式等，使用“新建平面”等命令構(gòu)建車體的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，如基準(zhǔn)面等元素；然后，在KWE模塊中，新建定位和接口等參數(shù)；最后，基于特征參數(shù)傳遞知識(shí)，使用“添加公式”等命令構(gòu)建參數(shù)之間的約束關(guān)系。骨架模型構(gòu)建完成后，通過“發(fā)布”命令發(fā)布骨架元素。

(2) 步驟2：下游骨架模型構(gòu)建。下游骨架模型是在頂層骨架模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建的。在ASD模塊中，下游骨架模型使用帶鏈接粘貼方式引用頂層骨架元素，然后再按頂層骨架模型的構(gòu)建方法完成自身骨架元素的構(gòu)建。

(3) 步驟3：零件三維模型構(gòu)建。結(jié)合PDG和KWE模塊進(jìn)行零件的參數(shù)化建模。首先，在PDG模塊中，引用上層骨架元素來創(chuàng)建三維實(shí)體模型；然后，在KWE模塊中，創(chuàng)建零件的設(shè)計(jì)參數(shù)；最后，使用“添加公式”等命令構(gòu)建參數(shù)之間的約束關(guān)系，以及完成零件三維模型的構(gòu)建。

采用關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)構(gòu)建的變型結(jié)構(gòu)模型將能有效支持零部件的快速變型。當(dāng)已有實(shí)例不滿足新訂單需求時(shí)，基于特征參數(shù)映射及傳遞知識(shí)確定響應(yīng)客戶需求的設(shè)計(jì)參數(shù)，然后調(diào)用變型結(jié)構(gòu)模型實(shí)現(xiàn)零部件的快速有序變型。

4 實(shí)例分析

本文以某訂單的地鐵中間車輛車體為例，對(duì)提出的地鐵車輛車體快速設(shè)計(jì)方法進(jìn)行驗(yàn)證。

圖3 地鐵車輛車體變型結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建流程

4.1 配置設(shè)計(jì)

某訂單的地鐵車輛車體客戶需求如表1所示。根據(jù)特征參數(shù)映射知識(shí)將客戶需求映射到車體特征參數(shù)。以新訂單特征參數(shù)作為配置參數(shù)進(jìn)行產(chǎn)品級(jí)實(shí)例推理，從而計(jì)算出各實(shí)例的相似度。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 某訂單的地鐵車輛車體客戶需求表

由表2可知，實(shí)例3的S最大，但由于S=0.734<δ，無法滿足本次訂單需求，因此需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。首先，使用CATIA軟件提取實(shí)例3的車體骨架模型，根據(jù)新訂單特征參數(shù)，對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行修改，得到新訂單車體骨架模型，該模型將用于后續(xù)整機(jī)模型的虛擬裝配。然后，繼續(xù)采用CBR對(duì)地鐵車輛車體的模塊級(jí)進(jìn)行配置，包括底架、側(cè)墻等模塊，其配置過程與產(chǎn)品級(jí)配置類似。若模塊級(jí)配置成功，則輸出相似實(shí)例并重用；若失敗，則需進(jìn)行基于變型結(jié)構(gòu)模型的變型設(shè)計(jì)。

4.2 變型設(shè)計(jì)

以新訂單的底架橫梁為例，進(jìn)行變型設(shè)計(jì)。在配置設(shè)計(jì)中提取S最高實(shí)例所屬的橫梁變型結(jié)構(gòu)模型，對(duì)產(chǎn)品級(jí)參數(shù)進(jìn)行變更，通過特征參數(shù)傳遞知識(shí)得到橫梁參數(shù)。其中，“橫梁長度”需要變更為2 800 mm。通過規(guī)則庫中的“螺栓數(shù)量與橫梁長度關(guān)系”驅(qū)動(dòng)“螺栓數(shù)量”變化。最后通過更新三維模型，得到新訂單要求的橫梁三維模型，如圖4所示。

表2 各實(shí)例的相似度

4.3 虛擬裝配及仿真

完成配置設(shè)計(jì)和變型設(shè)計(jì)后，使用車體骨架模型將各部分得到的模型進(jìn)行虛擬裝配，從而得到整機(jī)模型；然后對(duì)整機(jī)模型進(jìn)行強(qiáng)度、剛度等仿真分析；最后將滿足要求的新訂單車體儲(chǔ)存入庫，以實(shí)現(xiàn)實(shí)例庫的更新。

5 結(jié)語

為了解決地鐵車輛車體設(shè)計(jì)知識(shí)重用不足而導(dǎo)致研發(fā)周期較長的問題，本文結(jié)合實(shí)CBR和關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)形成了1套地鐵車輛車體的快速設(shè)計(jì)方法。采用CBR能快速檢索符合需求的已有相似實(shí)例；采用關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)構(gòu)建的變型結(jié)構(gòu)模型，能有效支持需求驅(qū)動(dòng)的零部件快速有序變型。最后，以某訂單的地鐵車輛車體為例，驗(yàn)證了所提方法的有效性與可行性。

圖4 橫梁變型設(shè)計(jì)流程