客車驅動橋殼智能化CAE系統的知識表示研究

張孝木

摘 要：為了開發客車驅動橋殼智能化CAE系統的需要，建立了某型號客車驅動橋殼的三維幾何模型，并運用ANASY軟件對其進行了有限元分析，得出了在典型工況下的應力和應變分布，分析了驅動橋殼的強度和剛度性能，積累了對驅動橋殼CAE分析的知識。在此基礎上，通過對知識工程中知識表示的研究，探討了適用于驅動橋殼CAE分析知識表示的表示方法，采用面向對象的知識表示法、框架知識表示法、產生式規則知識表示方法三種方法的混合知識表示體系對其進行表示，為開發客車驅動橋殼智能化CAE系統奠定了基礎。

關鍵詞：驅動橋殼 有限元分析 知識表示

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

客車驅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，驅動橋殼應具有足夠的強度、剛度和良好的疲勞耐久特性。合理地設計驅動橋殼是提高汽車安全性和舒適性的重要措施。因此，在設計過程中，對其進行有限元分析具有重要意義。

知識表示是利用計算機能夠接受并且進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計各種數據結構，即知識的形式表示方法，研究表示與控制的關系，表示與推理的關系，以及知識表示與其它領域的關系。恰當的知識表示可以使復雜的問題簡單化，便于計算機存儲、管理和利用。因此，選擇合適的知識表示方法十分重要。

本文運用有限元法對汽車驅動橋殼進行了靜力學分析，仿真計算出其應力和變形，積累了驅動橋殼CAE分析的相關知識，并采用混合知識表示的方法對該領域的知識進行有效表示，為下一步智能化CAE系統的開發了準備條件。

1 客車驅動橋殼的有限元分析

客車驅動橋殼智能化CAE系統的研究開發建立在驅動橋殼有限元分析一般流程的基礎上。首先以有限元的基本理論為依據，建立驅動橋殼的有限元分析模型，然后進行應力、應變分析。通過對驅動橋殼進行有限元分析，充分了解客車驅動橋殼智能化CAE系統所需知識的類型。

1.1 驅動橋殼有限元模型的建立

根據客車驅動橋殼的結構和工作特點，在保持其力學性能不變的條件下，對橋殼結構進行了簡化，在ug中建立驅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）假設半軸套管和驅動橋殼是一體的，而不是裝配體。

（3）將橋殼結構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。

驅動橋殼選用ANSYS提供的solid45單元模擬，并采用ANASY自帶的智能網格劃分工具進行網格劃分，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個節點。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果分析

作用在驅動橋上的外載荷有：牽引力或制動力，由承載重量產生的垂直載荷，不穩定運動時的動載荷，通過不平路面時的沖擊載荷，車輪側向載荷等。由于外載荷種類很多，而且變化很大，因此，設計計算時只能選擇與驅動橋結構破壞形式有關的、具有典型性的載荷（簡稱計算載荷）為依據。故選取作用在驅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，該橋殼負荷為113000 N，左右各支撐56500 N，此時橋殼總成出現最小應力值。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，此時橋殼出現最大應力值。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。垂直動載荷取驅動橋滿載時豎直負荷的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。

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

2 驅動橋殼CAE分析知識表示研究

在智能化設計系統中，常用的知識表示方法有：產生式表示法、語義網絡表示法、框架表示法、謂詞邏輯表示法、面向對象表示法、人工神經網絡表示法、基于粗糙集表示法等單一表示法，它們有各自的優點，但也存在著缺陷，見表1[5]。采用單一的知識表示方法，往往不能準確地表達具體復雜的知識結構，因而，在智能化設計系統中采用多種知識表示相結合的方式進行知識的表示。

通過對驅動橋殼的有限元分析可知， CAE分析是一項復雜的設計任務需要多方面的知識。單一的知識表示方法已不能滿足智能化設計系統的需要，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，發揮多種表示方法的長處。

根據分析其知識的特點主要采用以下知識表示方法：

（1）面向對象的知識表示法。它是將多種單一的知識表示方法（框架、規則、過程）按照面向對象程序設計原則組成一種混合知識表達形式，其采用類來進行數據抽象，并把作用在該抽象數據上的操作封裝在類中，即以對象為中心，將對象的屬性、動態行為和特征、相關領域知識和數據處理方法等有關知識“封裝”在表達對象的結構中[6]。在對CAE分析相關知識進行面向對象的表示時，根據不同的分析問題，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。框架的普遍表示形式是把它表示成一個嵌套的連接表：

（<框架名>（<槽名1>……）（<槽名2>……）……）；

（<槽名>（<側面名1>……）（<側面名 2>……）……）；

（<側面名>（<值1>……）（<值2>……）……）。

一個框架可擁有任意數目的槽，每個槽又可以擁有任意數目的側面，每個側面可以擁有任意數目的值。槽值既可以是簡單的數值，也可以是抽象的數據，還可以是方法[8]。框架的表示方法十分靈活，具體或者抽象的知識都可以通過框架來表示，因此，在驅動橋殼智能化CAE系統開發過程中得到了應用，例如對材料特性可進行如表3表示。

（3）產生式規則知識表示方法。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，易于直接表達領域知識，因此，在驅動橋殼智能化CAE系統開發過程中也采取了該種表示方法，如，IF客車滿載時驅動橋殼最大應力小于許用應力，THEN橋殼滿足整車的載荷承載要求。

對于語義網絡表示法、謂詞邏輯表示法、人工神經網絡表示法等，其雖有自身優點，但其不適用于智能化CAE系統的知識表示，故該系統決定采用面向對象的知識表示為主，框架式、產生式等知識表示方法為輔的基于面向對象的混合知識表示方法來完成驅動橋殼CAE分析各種類型知識的描述與表示。

3 結語

本文通過運用ANASY軟件對某型號客車驅動橋殼進行靜力學分析，積累了該型號客車驅動橋殼CAE分析的經驗知識，在此基礎上利用混合表示的方法對相關知識進行了知識表示研究，為進一步開展知識推理、知識管理研究準備了條件；為運用KBE技術實現客車驅動橋殼智能化CAE系統奠定了基礎；為相似智能化CAE系統的開發提供了參考，具有重要的應用價值。

參考文獻

[1] 杜子學，王星.貨車后橋殼的疲勞強度分析[J].交通標準化，2008（182）：143-146.

[2] 彭穎紅，胡潔.KBE技術及其在產品設計中的應用[M].上海：上海交通大學出版社，2007.

[3] Makoto Akama.Bayesian analysis for the results of fatigue test using full-scale models to obtain the accurate failure probabilities of the Shinkansen vehicle axle[J].Reliability Engineering and System Safety，2002，75（3）：321-332.

[4] 鞠秀燕，魚蘭瓊，謝周銀.LC300重型載貨汽車沖焊驅動橋殼ANSYS分析[J].內燃機與動力裝置，2007（3）：5-8.

[5] 張科杰，袁國華，彭穎紅.知識表示及其在機械工程設計中的應用探討[J].機械設計，2004，21（6）：4-6，27.

[6] 王昌飛，徐海波.面向對象混合型知識表示在冰箱設計中的應用[J].機械工程與自動化，2009（2）：4-6.

[7] 韓峻，施法中.面向對象的非線性有限元軟件框架設計[J].計算機工程，2009，35（8）：100-103.

[8] 王志芳，嚴新平，白秀琴.知識工程在油液監測故障診斷中的應用[J].潤滑與密封，2006（10）：181-184，191.