基于性能驅動的車體概念設計及其系統構建研究

黃雪飛，孫海榮，朱濤，肖守訥，雷軍

基于性能驅動的車體概念設計及其系統構建研究

黃雪飛1，孫海榮1，朱濤2，肖守訥2，雷軍2

（1.中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 064000；2.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031）

在傳統高速列車設計中，設計師憑經驗選擇最相似列車對其局部進行改進設計，設計周期較長、設計迭代次數多。根據復雜機械產品性能驅動的特點，將性能指標納入“需求－功能－結構”這一傳統理論體系，構建“需求－功能－性能－結構－參數”（RFPSP）的“五域”設計理論體系。在“車體系統典型性能指標與設計參數的關系分析”的基礎上，研究車輛概念設計流程與方法，開發以性能驅動的車體概念設計系統，搭建列車可視化設計工具與平臺，為快速實現高速列車方案設計提供技術支撐。最后以車輛限界作為邊界條件為例，驅動車體輪廓參數設計，根據振動模態分析，對不同門窗布置、車體結構參數分配等情況進行車輛動力特性分析，從而獲取較優的車體布置方案。

高速列車；性能驅動；車輛限界；模態

在車體設計方法研究方面，已有學者針對車體參數的設計展開了廣泛研究，文獻[1-2]為分析車體結構參數對車體模態特性的影響，以計算機仿真技術為基礎，研究了車體結構中各部件主要尺寸的厚度變化對車體模態頻率的影響，以指導車體的結構優化；文獻[3-4]針對車體結構，通過構建基于多層骨架的車體參數化模型實現車體快速設計系統的開發和系統優化；文獻[5]采用車體自頂向下設計和利用中性文件，達到設計模型與有限元仿真模型的自動轉換，從而實現車體的設計和分析在同一平臺下得以展示。但使用相關軟件進行迭代仿真計算，具有一定難度，且設計周期長、工作量大，極大地制約了車體方案設計效率。

性能驅動設計理論是現代設計理論的重要組成，文獻[6-7]明確提出了性能需求驅動理論的概念范疇，并指出用特征來對性能需求進行描述，即性能特征。文獻[8]認為性能是對功能和行為的度量，即產品所能實現的預定工作狀況如何，而功能則被定義為期望從設計的產品中所獲得的輸出。文獻[9]分析了復雜機械產品的性能、功能和質量這三個要素，論述了性能在現代產品設計流程中的核心地位。文獻[10]研究了性能需求到設計結構的映射方法，以商空間理論描述產品結構視圖，通過相似特征匹配實現性能需求到產品結構的映射轉化。

目前對性能驅動設計理論方法的研究還不多，主要集中在性能特征建模、性能知識表達、性能特征模型到產品模型的映射等方面[11-12]，還未系統地將性能概念融入“需求－功能－結構”設計理論體系。本文針對復雜機械產品性能驅動的特點，提出將性能指標納入“需求－功能－結構”體系，構建“客戶需求－功能－性能指標－結構－設計參數”五域設計理論體系[13]，以性能驅動的“五域”設計理論為基礎，開發軌道車輛參數管理與設計系統平臺，為指導車輛的方案設計提供理論方法和使能工具。

1 性能驅動設計方法

1.1 “五域”概念的提出

對于高可靠性產品，性能需求是用戶對產品要求的主要內容，是產品設計過程順利向前推進的根本出發點；性能特征是控制整個設計過程的基本特征，即在產品性能特征的調控下，產品的功能特征、結構特征等之間的反復映射；性能指標及其所對應的性能模型是在產品設計過程中實現方案設計、測試、評價與決策的基本要素，是設計過程中實現實時控制與在線管理的核心內容。

針對現有設計理論的不足，本文提出根據復雜機械產品的性能特征要求，在傳統的“需求－功能－結構”三要素設計理論體系中，建立性能指標和設計參數要素，形成以性能驅動的設計理論體系。以高速列車為例，結合現有研究成果和標準，定義一套較為完整的高速列車“客戶需求－功能－性能指標－結構－設計參數”五域數據模型及其構造體系，這為后續的參數關系研究提供基礎，為高速列車設計規范以及評定標準提供參考。在五域概念提出的具體實施方案中，根據產品的功能等需求初步確定產品的基本概念模型并細化產品結構，以此確定產品的設計參數，并對服役環境下的產品進行性能評價和功能驗證。換言之，產品是結構和設計參數的集合，產品功能的實現載體是產品結構，性能指標滿足的是產品的設計參數，最終產品必須適應其工作條件、服役環境，如圖1所示。因此，依據客戶需求，明確產品的功能和性能指標，形成產品的功能域和性能域；根據功構關系映射，建立產品結構域；在結構的基礎上，確定產品的設計參數[14]；從而實現在產品的服役環境下評價產品性能，同時要對產品的功能進行驗證。為此定義產品的服役環境域、功能域、性能指標域、結構域和設計參數域，即“五域”，如圖2所示。

通過“五域”系統，建立某類車型的通用指標體系，可以實現在整個設計過程中，數據的唯一性和完整性，這也是復雜產品設計系統要能夠完成設計功能必須具備的數據要求。

圖1 “五域”關系

圖2 產品設計“五域”

1.2 基于性能的參數關系研究

目前的高速列車采用逆向設計，根據服役邊界條件（需求），選擇類似車輛進行改進設計，再進行仿真實驗分析完成設計。逆向設計方法是一種有效的設計方法，但高速列車是一個多學科多性能的復雜機械系統，有些性能指標對參數的敏感性很強，導致某一參數的改變并不能同時滿足多個性能指標。

為此基于已提出的五域概念，厘清了產品各個要素之間的本質關系，形成以用戶需求為目標、性能指標為驅動、功能模塊為配置、結構單元為載體的參數設計體系（其設計基礎是功能、結構的模塊化和參數化設計）。因此，車輛的功能和結構一經確定，就形成了服役環境條件→性能指標→設計參數之間的相關關系，這是一個正向傳遞關系。

以性能驅動的“五域”設計理論為基礎，針對列車總體參數設計，運用質量屋理論，構建列車服役邊界條件－性能指標－設計參數間的映射方法，求解計算其重要度，確定參數的影響因子，并分析其參數網絡拓撲關系[15-16]；建立典型性能指標與設計參數的函數關系，為參數設計建立較為完整的設計路徑。結合典型函數關系研究成果[17-21]，以擠壓型材拼焊的車體方案設計為例，構建具有自主知識產權的開發設計平臺，為高速列車方案設計提供快速設計系統。如圖3所示。

圖3 性能驅動的參數關系研究體系架構

1.3 基于性能驅動設計數據傳遞映射關系

復雜機械產品具有多層次性，系統的不同層級要實現數據的傳遞。根據數據特征，將服役邊界條件和性能指標按照繼承的方式，而功能、結構和設計參數按照細分的方式進行傳遞，并將其數據模型組織結構應用于某型高速列車概念設計實例中，為此本文在基于五域概念與參數關系研究的基礎上，以擠壓型材拼焊的車體方案設計為例，著重對其關鍵技術進行研究，其中斷面設計以用戶提出的車輛限界和安全裕量作為邊界條件，以車體一階垂彎頻率和扭轉頻率為性能驅動，進行車體斷面和門窗布局設計。如圖4所示。

圖4 性能驅動設計數據傳遞映射關系（以車體模態為例）

2 基于性能驅動設計系統構建

2.1 系統結構與運行流程

根據圖5所示，基于性能驅動設計系統結構與運行流程主要包括以下過程：

（1）首先按照車輛類型定義通用“五域”，通用“五域”具有該車輛應用的全部特征。

（2）建立車輛設計實例，該實例是針對具體車輛而設計。對具體的車輛參數設計，以車輛管理為基礎，車輛編號作為設計實例的唯一標識。

（3）建立該設計車輛的“五域”，由通用五域繼承而來。該車輛“五域”建立后，進行參數關系分析。

（4）同時根據車輛進行服役需求管理、結構布局設計、性能指標確定。

（5）根據參數關系研究和性能指標等，進行參數設計。

（6）子系統實例流程與總體車輛相同，子系統的“五域”是由總體系統繼承和細分而來。通過繼承或細分后，將上一級的相關指標帶入下一級系統，從而形成參數的傳遞關系。

其中，參數關系研究應用參數關系分析工具進行，通過參數指標的重要度分析、網絡關系分析和函數關系研究，得到參數的重要度和設計參數的優先度，并開發部分函數關系工具集。車輛的服役需求管理，其主要內容就是邊界條件的數據管理；其次是獲取車體功能模型，通過邊界條件和功能模型的通用模型和特殊模型（通用模型是按照車體類型建立的模型）建立技術指標集（分通用指標和特殊指標）。通過功能模型完成車體結構配置和布局設計（以模塊化設計為基礎），結構確定后進行參數配置，即設計參數體系確定（通用設計參數和特殊設計參數）。最后進行車體參數設計，其參數設計需要調用參數設計相關工具和標準數據庫。在參數設計時，采用按照結構模塊方式和優先度方式。其中結構模塊方式分為車體總體參數和子系統參數設計（截面參數、端墻參數、底架參數、側墻參數和門窗參數等）；優先度設計方式按照獨立結構參數、優先設計參數和關聯設計參數的順序設計，該順序來源于參數網絡關系分析。

圖5 系統結構與運行流程圖

2.2 系統主要模塊劃分

根據系統結構和運行流程，系統主要功能模塊包括基礎數據管理、項目管理、五域建立、參數關系分析、參數設計、參數設計工具集和系統幫助，如圖6所示。

其中，基礎數據即對系統基礎數據字典進行定義與維護，主要是對“五域”進行數據定義。車輛參數關系管理車輛“五域”關系建立后，就形成了以用戶需求為目標、以性能指標為驅動、以功能模塊為配置、以結構單元為載體的參數設計體系。功能模塊和結構單元一經確定，就形成了服役邊界條件－性能指標－設計參數的關系體系。建立通用類型車輛參數體系及其關系，為車輛參數設計提供理論支撐。包括邊界條件管理、車輛技術體系管理和設計參數體系管理及其相互關系分析。典型參數設計工具集是將研究的參數關系開發為子工具，一方面可以單獨作為工具使用，另一方面在車體參數設計時直接進行調用，其包括車體輪廓設計、車體模態分析、布局設計。車輛參數設計包括服役需求管理、結構布局設計、性能指標確定和設計參數設計，分為總體和子系統模塊。系統幫助提供該系統的使用說明。

圖6 主要功能模塊結構圖

3 應用實例

以擠壓型材拼焊的車體方案設計為例，其中斷面設計以用戶提出的車輛限界和安全裕量作為邊界條件，以車體一階垂彎頻率和扭轉頻率為性能驅動，進行車體斷面和門窗布局設計。車體方案設計流程，如圖7所示。

從限界出發快速構建車體斷面輪廓和斷面型材模型，實現車體斷面參數化設計；車體布置方案設計是在車體斷面參數化設計的基礎上，通過建立端墻且側墻上含有門窗的車體模型，并根據車體的端墻、車門、車窗及封閉截面等不同輪廓進行粗分段，得到車體各分段截面詳細參數，然后以車體斷面參數和門窗參數等車體參數為變量，求解車體一階垂彎頻率、扭轉頻率等性能指標。故根據振動模態分析，可對不同門窗布置、車長/寬/高、平頂長/高、車輛重量的基本分配等情況進行車輛動力特性分析，從而獲取較優的車體布置方案，指導車輛的概念設計。

圖7 車體方案設計流程

3.1 用戶需求管理

邊界條件需求主要包括地理條件、氣候條件、線路條件等，在項目需求管理界面可顯示項目的主要信息，并通過項目信息的車輛類型加載邊界條件體系，可在系統界面錄入邊界條件值。安全裕量確定主要涉及能力指標、安全性指標、RAMS指標以及環保性指標等，可通過項目信息的車輛類型加載車輛性能指標體系，可在系統相應界面錄入性能指標值。

3.2 車體斷面設計

以用戶提出的車輛限界和安全裕量作為邊界條件，求解車體斷面輪廓并布置設計其筋板。系統主要包含：車輛限界關鍵點選擇及型材劃分、車體斷面輪廓線設計、車體斷面型材設計，由于車體斷面關于中心線左右對稱分布，故在計算程序中繪制右側一半即可，如圖8所示。

圖8 車體斷面設計

3.3 車體布置方案設計

車體布置方案設計是在車體斷面參數化設計的基礎上，通過建立端墻且側墻上含有門窗的車體模型，并根據車體的端墻、車門、車窗及封閉截面等不同輪廓進行粗分段，得到車體各分段截面詳細參數；然后以車體斷面參數和門窗參數等車體參數為變量，求解車體一階垂彎頻率、扭轉頻率等性能指標，程序得到的車體一階垂彎頻率為15.86 Hz，一階扭轉振動頻率為19.84 Hz，滿足整備狀態車體最低彎曲頻率不低于10 Hz的規范要求。從而以車體一階垂彎頻率和扭轉頻率為性能驅動，進行車體斷面和門窗布局設計。

4 結論

（1）本文提出將性能指標納入“需求－功能－結構”這一傳統理論體系，構建“客戶需求－功能－性能指標－結構－設計參數”五域設計理論體系，建立基于性能驅動的列車設計五域數據模型及其構造體系，為高速列車設計規范以及評定標準提供參考。

（2）以性能驅動的“五域”設計理論為基礎，構建了軌道車輛參數管理與設計計算機輔助設計系統。給出了系統結構和運行流程，搭建了主要功能模塊。

（3）以擠壓型材拼焊的車體方案設計為例，其斷面設計以用戶提出的車輛限界和安全裕量作為邊界條件，以車體一階垂彎頻率和扭轉頻率為性能驅動，布局設計車體斷面和門窗。

（4）借助具有人機友好的可視化軟件開發車輛參數管理與設計系統，實現了車體方案初步方案設計。

運行表明，系統顯著提高了車輛參數設計效率，具有較好的實用價值，為指導車輛的概念設計提供了新的方法與實用工具。

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Performance-Driven Conceptual Design and System Construction of High-Speed Train Body Structure

HUANG Xuefei1，SUN hairong1，ZHU Tao2，XIAO Shoune2，LEI Jun2

(1.Tangshan Railway Vehicle Co. Ltd., Tangshan 064000, China; 2.Traction Power State Key Laboratory, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China )

The traditional high-speed train design has the problems of long design period and too many design iterations. Designers used to improve the design based on the most similar train. According to the performance driven characteristics of complex mechanical product, the performance indicators are incorporated into the traditional theoretical system of "demand -function - structure" to build a new "five domain" design theory of "demand - function - structure - performance - parameters" (RFPSP). Based on the analysis of the relationship between the typical performance index and the design parameters of the body system, the design process and method of vehicle conceptual design are developed. Train visualization design tool and platform is established to provide technical support for rapid realization of high-speed train design. Taking the vehicle gauge as the boundary condition, the design of the contour parameters of the vehicle is proposed. Based on the vibration modal analysis, the layout of different doors and windows, the structure parameters and the vehicle dynamic characteristics are analyzed, thus obtaining the better vehicle body layout scheme.

high-speed train；performance-driven；vehicle gauge；modal

U271.91

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.07.003

1006－0316 (2020) 07－0015－08

2019－03－13

國家重點研發計劃課題“高速鐵路裝備本構安全技術”（2016YFB1200403）

黃雪飛（1985－），女，河北唐山人，碩士研究生，工程師，主要從事高速列車系統集成及車輛動態設計研發工作，E-mail：495920257@qq.com。