地鐵車輛車體快速設(shè)計方法*

鐘元木 黎偉洋 韓 鑫

(1.中車青島四方機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)機械工程學(xué)院先進設(shè)計與制造研究所，610031，成都//第一作者，高級工程師)

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。鐵道車輛設(shè)計已有多年的實踐經(jīng)驗，設(shè)計成果豐富，但目前車體設(shè)計對以往設(shè)計知識的重用率較低，無法高效利用這些知識進行車體的快速設(shè)計。因此，研究1套地鐵車輛車體的快速設(shè)計方法，對實現(xiàn)車體設(shè)計知識的有效重用、提高車體的設(shè)計效率具有重要意義。

目前，產(chǎn)品的快速設(shè)計主要通過產(chǎn)品配置與產(chǎn)品變型來實現(xiàn)。在配置設(shè)計方面，目前常采用基于實例、規(guī)則和約束等方法。文獻[1]采用實例與規(guī)則相結(jié)合的配置方法，結(jié)合環(huán)境因素，實現(xiàn)了面向運營環(huán)境的高速列車車體配置設(shè)計。文獻[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)計方面，目前主要采用關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)，并通過產(chǎn)品的參數(shù)化變型來快速響應(yīng)客戶動態(tài)變化的需求。文獻[3]將關(guān)聯(lián)設(shè)計應(yīng)用于飛機機翼設(shè)計，在保證性能的前提下極大地提高了設(shè)計效率。雖然目前已有大量關(guān)于產(chǎn)品配置與變型設(shè)計技術(shù)方面的研究，并部分應(yīng)用于高速列車設(shè)計[4]。但目前對地鐵車體的研究仍多側(cè)重于車體強度、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)計方法。

針對上述問題，本文將運用配置設(shè)計技術(shù)與變型設(shè)計技術(shù)，提出1套基于客戶需求驅(qū)動的地鐵車輛車體快速設(shè)計方法，以支持設(shè)計知識的有效重用，進而提高車體的設(shè)計效率，以增強企業(yè)的市場適應(yīng)能力和競爭力。

1 地鐵車輛車體快速設(shè)計框架

1.1 地鐵車輛車體主模型構(gòu)建

針對地鐵車輛車體的層次結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件繁多、設(shè)計知識重用率不足等特點，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，是進行地鐵車輛車體快速設(shè)計的基礎(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)計知識模型，如圖1所示。

注：CBR表示實例推理技術(shù)

配置結(jié)構(gòu)模型是配置設(shè)計的基礎(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例提高產(chǎn)品的設(shè)計效率。

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)動參數(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品變型，是變型設(shè)計的基礎(chǔ)。同時該模型包含了骨架模型和三維模型。骨架模型是一個抽象的裝配設(shè)計模型，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(計算機輔助設(shè)計)模型，能支持模型的可視化和產(chǎn)品的虛擬裝配，是進行強度分析、氣密性檢驗等仿真分析的基礎(chǔ)。

設(shè)計知識模型是實現(xiàn)產(chǎn)品快速設(shè)計的關(guān)鍵，包含特征參數(shù)映射知識、特征參數(shù)傳遞知識、CBR配置規(guī)則，以及特征參數(shù)。特征參數(shù)映射知識是客戶需求與產(chǎn)品級特征參數(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)計原理或經(jīng)驗來進行確定。特征參數(shù)傳遞知識是產(chǎn)品級與模塊級之間、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)是對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能影響最重要的參數(shù)，是配置設(shè)計的配置參數(shù)和變型設(shè)計中的驅(qū)動參數(shù)；一般參數(shù)相對關(guān)鍵參數(shù)而言，主要由從動參數(shù)組成。

1.2 地鐵車輛車體快速設(shè)計流程

結(jié)合某主機廠車體的實際研發(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)計流程(見圖2)。該流程包括概念設(shè)計和詳細設(shè)計兩個階段。

圖2 地鐵車輛車體快速設(shè)計流程

(1) 階段1：概念設(shè)計。概念設(shè)計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例所屬的車體骨架模型，并根據(jù)新訂單要求對其進行修改，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：詳細設(shè)計。詳細設(shè)計階段即對車體零部件實體進行設(shè)計。首先，進行模塊級配置設(shè)計，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。然后，將配置設(shè)計和變型設(shè)計得到的所有模型通過車體骨架模型完成虛擬裝配，以得到整機模型。在完成強度、疲勞等仿真分析后，將其儲存至實例庫。

2 基于CBR的地鐵車輛車體配置設(shè)計

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)計技術(shù)。由于CBR是一種只憑以往產(chǎn)品實例和設(shè)計知識就能進行推理的技術(shù)，該技術(shù)通過最大程度地重用實例來提高知識重用率和設(shè)計效率。結(jié)合地鐵車體結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜、零部件繁多等特點，本文采用了CBR進行地鐵車體配置設(shè)計。

CBR的主要任務(wù)是檢索實例，其核心問題是選擇檢索策略。傳統(tǒng)方法對數(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)映射知識將客戶需求映射為車體特征參數(shù)。

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

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

變型設(shè)計是一種充分利用已有的設(shè)計資源來快速響應(yīng)新訂單需求的設(shè)計方法。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]。實現(xiàn)地鐵車輛車體變型設(shè)計的關(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)計正是實現(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)計是通過利用參數(shù)化設(shè)計原理，來建立零部件間的驅(qū)動關(guān)系的設(shè)計方法，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)計信息對下游設(shè)計過程進行約束和控制等[3]。

目前，大部分CAD軟件都支持產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)設(shè)計。CATIA(計算機輔助三維交互應(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，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，結(jié)合CATIA軟件中GSD(創(chuàng)成式外型設(shè)計)、KWE(知識工程)、ASD(裝配體設(shè)計)和PDG(零件體設(shè)計)等4個模塊，采用關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(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)計基準(zhǔn)、設(shè)計參數(shù)，以及設(shè)計規(guī)則3類信息。設(shè)計基準(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)計規(guī)則是設(shè)計參數(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，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)建三維實體模型；然后，在KWE模塊中，創(chuàng)建零件的設(shè)計參數(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)已有實例不滿足新訂單需求時，基于特征參數(shù)映射及傳遞知識確定響應(yīng)客戶需求的設(shè)計參數(shù)，然后調(diào)用變型結(jié)構(gòu)模型實現(xiàn)零部件的快速有序變型。

4 實例分析

本文以某訂單的地鐵中間車輛車體為例，對提出的地鐵車輛車體快速設(shè)計方法進行驗證。

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

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)進行產(chǎn)品級實例推理，從而計算出各實例的相似度。計算結(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，因此需要對其進行改進設(shè)計。首先，使用CATIA軟件提取實例3的車體骨架模型，根據(jù)新訂單特征參數(shù)，對模型的參數(shù)進行修改，得到新訂單車體骨架模型，該模型將用于后續(xù)整機模型的虛擬裝配。然后，繼續(xù)采用CBR對地鐵車輛車體的模塊級進行配置，包括底架、側(cè)墻等模塊，其配置過程與產(chǎn)品級配置類似。若模塊級配置成功，則輸出相似實例并重用；若失敗，則需進行基于變型結(jié)構(gòu)模型的變型設(shè)計。

4.2 變型設(shè)計

以新訂單的底架橫梁為例，進行變型設(shè)計。在配置設(shè)計中提取S最高實例所屬的橫梁變型結(jié)構(gòu)模型，對產(chǎn)品級參數(shù)進行變更，通過特征參數(shù)傳遞知識得到橫梁參數(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“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 各實例的相似度

4.3 虛擬裝配及仿真

完成配置設(shè)計和變型設(shè)計后，使用車體骨架模型將各部分得到的模型進行虛擬裝配，從而得到整機模型；然后對整機模型進行強度、剛度等仿真分析；最后將滿足要求的新訂單車體儲存入庫，以實現(xiàn)實例庫的更新。

5 結(jié)語

為了解決地鐵車輛車體設(shè)計知識重用不足而導(dǎo)致研發(fā)周期較長的問題，本文結(jié)合實CBR和關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(shù)形成了1套地鐵車輛車體的快速設(shè)計方法。采用CBR能快速檢索符合需求的已有相似實例；采用關(guān)聯(lián)設(shè)計技術(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，驗證了所提方法的有效性與可行性。

圖4 橫梁變型設(shè)計流程