地鐵車輛車體快速設計方法*

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中心，266111，青島；2.西南交通大學機械工程學院先進設計與制造研究所，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定性。地鐵車輛車體是骨架結構型產品，具有結構層次復雜、零部件多且為結構件等特點。鐵道車輛設計已有多年的實踐經驗，設計成果豐富，但目前車體設計對以往設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計。因此，研究1套地鐵車輛車體的快速設計方法，對實現車體設計知識的有效重用、提高車體的設計效率具有重要意義。

目前，產品的快速設計主要通過產品配置與產品變型來實現。在配置設計方面，目前常采用基于實例、規則和約束等方法。文獻[1]采用實例與規則相結合的配置方法，結合環境因素，實現了面向運營環境的高速列車車體配置設計。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品。在變型設計方面，目前主要采用關聯設計技術，并通過產品的參數化變型來快速響應客戶動態變化的需求。文獻[3]將關聯設計應用于飛機機翼設計，在保證性能的前提下極大地提高了設計效率。雖然目前已有大量關于產品配置與變型設計技術方面的研究，并部分應用于高速列車設計[4]。但目前對地鐵車體的研究仍多側重于車體強度、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計方法。

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

1 地鐵車輛車體快速設計框架

1.1 地鐵車輛車體主模型構建

針對地鐵車輛車體的層次結構復雜、零部件繁多、設計知識重用率不足等特點，本文提出車體主模型的概念。主模型包含與產品相關的所有幾何和非幾何信息，是進行地鐵車輛車體快速設計的基礎。車體主模型包含配置結構模型、變型結構模型和設計知識模型，如圖1所示。

注：CBR表示實例推理技術

配置結構模型是配置設計的基礎。該模型由GBOM(基于產品配置模型)結構和產品實例組成。GBOM結構可以表述一類產品共有的產品結構，是構建其他模型的基礎；產品實例是企業長期積累的資源，在新產品開發中，可以通過重用相似實例提高產品的設計效率。

變型結構模型是產品的參數化模型。該模型通過變更驅動參數實現產品變型，是變型設計的基礎。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計模型，能夠反應產品的空間布局和裝配關系；產品三維模型是基于骨架模型建立的CAD(計算機輔助設計)模型，能支持模型的可視化和產品的虛擬裝配，是進行強度分析、氣密性檢驗等仿真分析的基礎。

設計知識模型是實現產品快速設計的關鍵，包含特征參數映射知識、特征參數傳遞知識、CBR配置規則，以及特征參數。特征參數映射知識是客戶需求與產品級特征參數之間的映射關系，如載客量與車體寬度的關系等。這些關系由設計原理或經驗來進行確定。特征參數傳遞知識是產品級與模塊級之間、零件與零件之間，以及零件自身特征參數之間的約束關系，如車體寬度與地板寬度的關系，這種關系多為函數關系。CBR配置規則則用于檢索已有的相似實例。特征參數包括關鍵參數和一般參數。關鍵參數是對產品結構性能影響最重要的參數，是配置設計的配置參數和變型設計中的驅動參數；一般參數相對關鍵參數而言，主要由從動參數組成。

1.2 地鐵車輛車體快速設計流程

結合某主機廠車體的實際研發流程，在地鐵車輛車體主模型的基礎上，構建車體的快速設計流程(見圖2)。該流程包括概念設計和詳細設計兩個階段。

圖2 地鐵車輛車體快速設計流程

(1) 階段1：概念設計。概念設計階段即要明確車體構成元素及元素間關系，以及確定產品的整體結構。首先，基于特征參數映射知識將客戶需求映射為車體的特征參數。然后，以此作為車體產品級配置的輸入，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，為后續的虛擬裝配奠定基礎。

(2) 階段2：詳細設計。詳細設計階段即對車體零部件實體進行設計。首先，進行模塊級配置設計，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構模型完成變型設計。然后，將配置設計和變型設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計

產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品的快速設計技術。由于CBR是一種只憑以往產品實例和設計知識就能進行推理的技術，該技術通過最大程度地重用實例來提高知識重用率和設計效率。結合地鐵車體結構層次復雜、零部件繁多等特點，本文采用了CBR進行地鐵車體配置設計。

CBR的主要任務是檢索實例，其核心問題是選擇檢索策略。傳統方法對數量型屬性，即以特征參數為范圍值(如車內噪聲≤80 dB(A))的實例檢索效果較差。本文采用模糊相似優先比法，可有效解決上述問題[8]。該方法的設計步驟簡述為：

(1)確定特征參數。即通過特征參數映射知識將客戶需求映射為車體特征參數。

(2)確定最優實例。首先采用層次分析法[9]確定特征參數的權重，再結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實例。由于可能會出現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，只有當相似度S≥δ時，才輸出滿足需求的實例。根據經驗，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構模型進行變型設計。

3 基于關聯設計的地鐵車輛車體變型設計

變型設計是一種充分利用已有的設計資源來快速響應新訂單需求的設計方法。這種方法能在保證原有產品的基本原理、結構和功能不變的前提下，通過變更產品局部結構、參數和約束生成新訂單產品[3]。實現地鐵車輛車體變型設計的關鍵是車體主模型中變型結構模型的構建，而關聯設計正是實現變型結構模型構建的關鍵技術。關聯設計是通過利用參數化設計原理，來建立零部件間的驅動關系的設計方法，具體表現為零部件間幾何元素的重用，以及使用上游零部件設計信息對下游設計過程進行約束和控制等[3]。

目前，大部分CAD軟件都支持產品的關聯設計。CATIA(計算機輔助三維交互應用)軟件通過發布、帶鏈接粘貼等功能支持關聯設計，并且這些功能可以有效梳理零部件之間的鏈接關系。本文以CATIA軟件為平臺，結合CATIA軟件中GSD(創成式外型設計)、KWE(知識工程)、ASD(裝配體設計)和PDG(零件體設計)等4個模塊，采用關聯設計技術構建變型結構模型。

變型結構模型包括骨架模型與三維模型。其中，骨架模型包括設計基準、設計參數，以及設計規則3類信息。設計基準是反映產品布局和接口形式的元素，如列車軌面等；設計參數主要包括產品的定位與接口參數，如車體長度等；設計規則是設計參數之間的約束關系，如車門數量與車長關系等。零件三維模型除包含上述元素外，還包括拉伸等實體特征。變型結構模型的構建流程如圖3所示，具體步驟如下：

(1) 步驟1：頂層骨架模型構建。結合GSD和KWE模塊構建頂層骨架模型。首先，在GSD模塊中，根據車體的結構布局、接口形式等，使用“新建平面”等命令構建車體的設計基準，如基準面等元素；然后，在KWE模塊中，新建定位和接口等參數；最后，基于特征參數傳遞知識，使用“添加公式”等命令構建參數之間的約束關系。骨架模型構建完成后，通過“發布”命令發布骨架元素。

(2) 步驟2：下游骨架模型構建。下游骨架模型是在頂層骨架模型的基礎上構建的。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建方法完成自身骨架元素的構建。

(3) 步驟3：零件三維模型構建。結合PDG和KWE模塊進行零件的參數化建模。首先，在PDG模塊中，引用上層骨架元素來創建三維實體模型；然后，在KWE模塊中，創建零件的設計參數；最后，使用“添加公式”等命令構建參數之間的約束關系，以及完成零件三維模型的構建。

采用關聯設計技術構建的變型結構模型將能有效支持零部件的快速變型。當已有實例不滿足新訂單需求時，基于特征參數映射及傳遞知識確定響應客戶需求的設計參數，然后調用變型結構模型實現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計方法進行驗證。

圖3 地鐵車輛車體變型結構模型構建流程

4.1 配置設計

某訂單的地鐵車輛車體客戶需求如表1所示。根據特征參數映射知識將客戶需求映射到車體特征參數。以新訂單特征參數作為配置參數進行產品級實例推理，從而計算出各實例的相似度。計算結果如表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計。首先，使用CATIA軟件提取實例3的車體骨架模型，根據新訂單特征參數，對模型的參數進行修改，得到新訂單車體骨架模型，該模型將用于后續整機模型的虛擬裝配。然后，繼續采用CBR對地鐵車輛車體的模塊級進行配置，包括底架、側墻等模塊，其配置過程與產品級配置類似。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構模型的變型設計。

4.2 變型設計

以新訂單的底架橫梁為例，進行變型設計。在配置設計中提取S最高實例所屬的橫梁變型結構模型，對產品級參數進行變更，通過特征參數傳遞知識得到橫梁參數。其中，“橫梁長度”需要變更為2 800 mm。通過規則庫中的“螺栓數量與橫梁長度關系”驅動“螺栓數量”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

完成配置設計和變型設計后，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，以實現實例庫的更新。

5 結語

為了解決地鐵車輛車體設計知識重用不足而導致研發周期較長的問題，本文結合實CBR和關聯設計技術形成了1套地鐵車輛車體的快速設計方法。采用CBR能快速檢索符合需求的已有相似實例；采用關聯設計技術構建的變型結構模型，能有效支持需求驅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 橫梁變型設計流程