|
邱红铭，韩 鑫，张 剑，张海柱 （西南交通大学 机械工程学院 先进设计与制造技术研究所，四川 成都 610031） 摘 要：针对现有高速列车车体缺乏对多样化、个性化需求快速响应设计方法的研究，采用Top-down设计思想，提出一种基于约束网络的高速列车车体关联设计方法。通过关联设计实现装配信息变更影响在车体多层级骨架模型中自顶向下自动传递，并建立约束网络模型关联产品功能、性能、结构等多域特征信息，实现需求驱动的高速列车车体快速设计。以某车体侧墙模块设计为例，验证了该方法不但实现需求驱动的车体快速设计，而且通过建立显式的多域特征信息影响传播机制，保证多域特征参数变更设计的正确性。 关键词：关联设计；约束网络；高速列车车体；骨架模型；自顶向下 1 引言随着高速列车市场的全球化，如何形成一套快速响市场变化和个性化需求的高速列车设计方法成为企业快速发展的关键。车体作为高速列车最重要的组成部分之一，其结构为筒形结构，由底架、侧墙、端墙及车顶构成一个整体的六面体。针对不同地理环境条件、线路条件以及旅客个性化等需求，车体结构需要进行适应性改进设计。目前对车体设计的研究一般集中在结构优化技术上，通过分析车体性能与结构参数之间的关系，对已有的车体进行结构优化，以提升车体的性能[1-3]，而面向需求驱动的高速列车车体快速设计尚未形成一个有效的方法。鉴于此，将分析高速列车车体的结构特点，着重研究车体的快速设计方法，实现响应客户需求的高速列车车体快速设计。 从结构组成上分析，车体是由许多板、梁、肋和蒙皮组成的空间结构，装配关系复杂，曲面形状多变，是一个典型的复杂骨架结构。它主要有两个特点，第一是零部件之间结构高度关联，彼此相互影响，设计过程中变型和更改频繁；第二是车体设计采用自顶向下的建模方式进行，设计信息从最上层的产品层逐层传递到最下层的零件层。由于现有的研发过程产品结构之间没有建立良好的关联关系，会使得上层装配信息的改变无法直接传递到下一层级，最终导致模型出错。借鉴Top-down的设计思想，采用关联设计技术建立车体的多层级骨架模型，实现装配信息变更影响在上下层模型间的自动传递。 关联设计是产品设计过程中，通过参数化设计技术建立零件之间的驱动关系，从而实现产品研制中上下游设计输入对设计输出之间的影响、控制和约束[4]，实现产品的实时自动更新和快速重建[5-7]。由于关联设计依赖参数化骨架信息来进行关联，使得目前关联设计仅能支持装配信息变更影响的自动传递，模块的结构参数是如何受功能、性能的影响，以及模块间结构参数的关联变更设计仍要依赖于人工操作。约束网络将产品功能、性能、结构之间的参数以约束的形式关联起来，可用于分析多域参数间的影响关系，指导产品的快速设计[8-10]。因此，将约束网络模型与关联设计技术相结合，提出基于约束网络的高速列车车体关联设计方法，实现面向需求的高速列车车体的快速响应设计。 2 面向关联设计的车体多层级骨架模型2.1 车体骨架模型的形成 骨架模型是根据装配体内各元件之间的关系而创建的一种特殊的零件模型[11]，用于描述装配体结构、功能要求及设计意图的模型，包括外形骨架、定位骨架和装配接口骨架三类，外形骨架的概念类似于包络体，由功能-结构映射得到；定位骨架定义部件和零件的空间定位坐标面；装配接口骨架定义零部件之间的装配接口关系。 通过分析车体结构的特点，其骨架模型的产生是一个高层级向低层级结构分解的迭代过程，如图1所示。具体来说，车体最顶层骨架是根据强度、刚度、动态包络、空气动力学等功能要求形成的一个断面扫掠体，此扫掠体的外形即为顶层的外形骨架；扫掠体上根据功能要求定义出侧墙、端墙、底架等的定位基准，即得到顶层骨架的定位信息。基于Top-down设计思想，在每个部件内部进行自顶向下的设计，使装配结构树得以扩展，随着层级的不断扩展，在骨架基础上扩展出的模型信息也不断丰富，直到每一个零件产品设计完成。 为实现计算机程序化的骨架管理，车体产品的骨架模型用结构化的方式定义为：外形骨架 SKS=｛SKSij，i=1…m（层数），j=1…n（每层中零部件数）｝；定位骨架 SKD=｛SKDij，i=1…m（层数），j=1…n（每层中零部件数）｝；装配接口骨架 SKA=｛SKAij，i=1…m（层数），j=1…n（每层中零部件接口数）｝。  图1 车体骨架模型产生过程 2.2 基于骨架模型的车体关联设计 从本质上看，层次化的骨架模型最重要的作用有三个方面，第一，实现了信息从顶层逐层向下传递，保证Top-down设计过程中各层级之间信息传递的准确性，即上层信息是下层信息的输入、约束或目标，避免设计偏离要求；第二，通过定位骨架中的装配接口类骨架确定同一层级之间零部件信息的关联性，能有效保证设计的一致性和模型重构的准确性；第三，多层次骨架构建与产品设计过程的五个阶段[12]相吻合，即对功能设计、概念设计、布局设计、详细设计、工程分析进行很好的支持。虽然商业CAD软件如CATIA、NX等也能实现图形元素的关联，如CATIA支持带链接的复制（Copy或Association）来保证模型的一致性，但这种方式仍不足以支持产品Top-down的设计，主要是因为设计过程是一个模型粒度逐渐细化的过程，上一层级传递的信息很大部分会在下一层级被进一步分解、细化和增加，这些信息必须设计良好的关联机制加以管理，才能有效地支持整个研发流程信息的有效传递。 基于骨架模型的关联设计本质上是一套有效的模型信息继承和演变的机制，模型中继承和演变的信息包括以下几类：（1）功能（性能）信息，功能信息作用于整个产品设计过程，但随着结构的逐步细化，会逐步传递到各个相关的部件。（2）骨架信息，外形骨架、定位骨架和装配接口骨架在Top-down设计过程中从上一层级传递给下一层级的模型，下一层级外形骨架之和等于上一层级外形骨架；下一层级部件的定位骨架和装配接口骨架会根据功能的细化发生一定的演变，但与上一层级骨架保持确定的关系，以保证模型重构时相对位置的准确性。（3）特征信息，所指的特征信息是指量化的功能、性能以及与之关联的结构参数。当客户需求或运营环境发生改变时，功能、性能参数通过功能分解和功能结构映射[13]作用到影响功能和性能最大的结构参数上，通过改变这些结构参数得到满足需求的新车体。将建立约束网络对功能、性能、结构参数间的关联关系进行管理，以便能快速、自动实现模型的重构。 3 基于约束网络的车体关联设计约束网络用于描述参数之间的约束关系，可表示为G=（V，E），式中，V是非空有限集合，它的元素构成参数节点集合，E是有限集合，表示节点之间存在的约束关系。产品的设计过程可以理解为约束网络中约束被满足的过程，在这个过程中参数被逐一赋值，最终得到产品方案解。约束的表示方式有产生式系统、框架表示法、与/或树表达法、语义网络、特征表达法和面向对象的表示等多种表达方法[14]。为了利用计算机对约束网络中变更传播进行推理，采用了面向对象的表示方法表达约束。 约束网络 CN 可以定义为：CN=（｛P｝，｛C｝） 约束对象 C 表示如下：C=（CName，CBody，CLevel，CInfo，｛P｝） 式中：CName—约束名称，也是约束的唯一标识；CBody—约束体，包括等式约束与不等式约束，用于表达该约束的具体内容；CLevel—约束水平，根据经验或灵敏度分析给出，用于在参数约束网络出现参数变更时决定被影响参数的变更顺序；CInfo—约束说明，为可选信息，用于记录该约束的备注等信息；｛P｝—约束C所涉及到参数集。 参数 P 表示如下：P=（PName，PInfo，PValue） 式中：PName—约束体中引用到的参数名，表示为“零件名称.参数名称”；PInfo—参数说明，为可选信息，用于记录该参数的备注等信息；PValue—参数值。 当车体的功能、性能参数变更时，通过约束网络得到响应功能、性能参数变更的结构参数，利用关联设计技术将变更信息在层次骨架模型中逐级向下传递，驱动车体模型自动更新。当变更传递过程中出现一对多情况时，则利用约束水平决定变更的传播方向，当且仅当优先变更的参数达到其范围约束极限时，变更才会向次优先参数方向传播。 4 高速列车车体关联设计实例分析运用上述方法，采用C#、SQL Server、CAA结合CATIA开发高速列车车体关联设计软件，通过约束网络分析客户输入的需求信息，将其转化为需要变更的顶层骨架参数，通过关联设计技术将变更影响自顶向下传播，驱动车体CATIA模型进行参数化变型，形成新的车体模型。由于篇幅所限，仅对某高速列车侧墙模块的快速设计过程进行介绍。某高速列车侧墙模块，包括四块侧墙型材（1～4），如图2所示。这四块型材处于车体断面上的直线段部分，通常只做纵向上的变型以及蒙皮筋板厚度的变型。侧墙模块的快速设计流程，如图3所示。  图2 某高速列车侧墙  图3 侧墙型材快速设计流程 某动车组招标条件要求增加列车的定员数量，系统经过查询约束网络，根据网络知识决定增加车体长度以响应客户需求；通过车体层次骨架模型中的关联关系将车体长度的变更影响自顶向下传递，引起侧墙型材（1～4）装配接口骨架变更；此时仅依靠关联设计无法判断四块型材的变型情况，通过查询约束网络，提取侧墙总长与四块型材的约束关系（表1），系统根据约束水平决定优先变型约束水平最低的侧墙型材2，当侧墙型材2变型超出其范围约束时，系统将根据约束水平对其它参数进行变更。更新后的车体模型，如图4（a）所示。车体中的参数变更结果可通过系统进行查询，如图4（b）所示。 表1 约束表达（局部）  约束名称 约束体 约束水平 约束所涉及的参数CS1Lp21=f1（LSW）2LSW，LP21 CS2Lp22=f2（LSW）1LSW，LP22 CS3Lp23=f3（LSW）5LSW，LP23 CS4Lp24=f4（LSW）2LSW，LP24  图4 设计结果查询 5 结论为实现高速列车车体的快速设计，提出了基于约束网络的车体关联设计方法。该方法通过自顶向下地建立高速列车车体多层级骨架模型，将上下层级之间的装配信息关联起来，实现车体变型时的快速修改；建立约束网络模型关联产品功能、性能、结构等多域特征信息，实现需求驱动的高速列车车体快速设计。当车体的需求发生变更时，变更信息能够自动传递到下游模块并进行更新，维护了设计数据的一致性。将约束网络模型与关联设计技术相结合，形成了一套自顶向下的快速模型重构方法，开发了高速列车车体快速设计软件，验证了该方法的可行性和有效性，提高了车体设计效率。 参考文献 ［1］李明高，李明，韩璐.基于多目标的高速列车隔热结构拓扑优化［J］.北京航空航天大学学报，2015（12）.（Li Ming-gao，Li Ming，Han Lu.Multi-objective topological optimization of heat insulation structures used in high-speed train［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2015（12）.） ［2］帅仁忠，赵艳菊，孙召进.高速列车车体型材的结构灵敏度分析研究［J］.铁道机车车辆，2015，35（z1）：88-90.（Shuai Ren-Zhong，Zhao Yan-ju，Sun Zhao-jin.Study on the structure sensitivity of the high-speed train body profile［J］.Railway Locomotive&CAR，2015，35（z1）：88-90.） ［3］张文霞.CRH5动车组内端墙对车体结构整体承载性能的影响分析及轻量化研究［D］.北京：北京交通大学，2014.（Zhang Wen-xia.The impact of inside end wall on overall bearing performance of vehicle body of CRH5and research on its light weight design［D］.Beijing：Beijing Jiaotong University，2014） ［4］刘俊堂，刘看旺.关联设计技术在飞机研制中的应用［J］.航空制造技术，2008（14）：45-47.（Liu Jun-tang，Liu Kan-wang.Application of parallel design technology in aircraft development［J］.Aeronautical Manufacturing Technology，2008（14）：45-47.） ［5］唐家鹏，席平，张德宇.飞机翼面结构自顶向下关联设计［J］.中国机械工程，2015（20）：2716-2720.（Tang Jia-peng，Xi Ping，Zhang De-yu.Top-down associated design of aircraft wing structure［J］.China Mechanical Engineering，2015（20）：2716-2720.） ［6］唐家鹏，席平，张宝源.协同工作环境下的产品关联设计技术研究［J］.航空制造技术，2014（5）：97-100.（Tang Jia-peng，Xi Ping，Zhang Bao-yuan.Product associative design in collaborative working environment［J］.Aeronautical Manufacturing Technology，2014（5）：97-100.） ［7］陈东明，席平，唐家鹏.关联设计技术在机翼盒段快速建模中的应用［J］.图学学报，2015，36（5）：730-733.（Chen Dong-ming，Xi Ping，Tang Jia-peng.Application of associated designtechnologyonwingcomponentsrapidmodeling［J］.Journal of graphics，2015，36（5）：730-733.） ［8］曹健，张申生.支持协同产品开发的约束模型研究［J］.计算机集成制造系统，2001，7（4）：17-21.（Cao Jian，Zhang Shen-sheng.Research on constraint model supporting cooperative product development［J］.Computer Integrated Manufacturing Systems，2001，7（4）：17-21.） ［9］董元发，郭钢，付豪.面向产品族配置的约束网络模型及配置方法［J］.重庆大学学报：自然科学版，2012（3）：33-39.（Dong Yuan-fa，Guo Gang，Fu Hao.Product family configuration-oriented constraint network model and configuration［J］.Journal of Chongqing University：Natural Science Edition，2012（3）：33-39.） ［10］陈亮，王伟.产品多学科协同设计中的一致性维护方法［J］.中国机械工程，2010（12）：1447-1452.（Chen Liang，Wang Wei.Consistency maintenance of multidisciplinary collaborative product design［J］.China Mechanical Engineering，2010（12）：1447-1452.） ［11］周运金.基于Pro/E的两种自顶向下的设计方法［J］.机械设计与制造，2007（3）：80-82.（Zhou Yun-jin.Two top-down design methods based on Pro/E［J］.Machinery Design&Manufacture，2007（3）：80-82.） ［12］Shah J J，Mantyla M.Parametric and feature based CAD/CAM：concepts，techniques，and applications［J］.Australian Petroleum Production&Exploration Association，1995. ［13］Dorst K，Vermaas P E.John Gero’s function-behaviour-structure model of designing：a critical analysis［J］.Research in Engineering Design，2005，16（1）：17-26. ［14］陈寒梅.协同设计中知识冲突消解机制及其应用研究［D］.太原：太原科技大学，2010.（Chen Han-mei.Research on resolution and application of knowledge conflict in collaborative design［D］.Taiyuan：Taiyuan University of Science&Technology，2010.） Research on High-Speed Train Car Body Associated Design Based on Constraint Network QIU Hong-ming，HAN Xin，ZHANG Jian，ZHANG Hai-zhu Abstract：In consideration of the problem of the lack of the rapid design method of high-speed train car body to response customer’s diversified and individual demands，an approach by combining the top-down design philosophy with the constraint network is used to study the associated design method of the high-speed train car body in this paper.The alterations of assembly information can be transmit automatically from multi-level skeleton model of car body based on associated design technique is provided.Besides，the multi-field feature information such as product function，performance and structure could be associated by the constraint network，and then designers can depend on it to implement the demand-driven rapid design of high-speed train car body.Finally，in a car body sidewall module design as an example to validate the method can not only achieve demand-driven rapid design of high-speed train car body，and through establishing explicit multi-domain feature information dissemination mechanism，guarantee the correctness of the multi-domain feature parameters change design. Key Words：Associated Design；Constraint Network；High-Speed Train Car Body；Skeleton Model；Top-Down 中图分类号：TH16；U270.3 文献标识码：A 文章编号：1001-3997（2017）10-0096-04 来稿日期：2017-04-08 基金项目：国家自然科学基金项目（51305367）；国家自然科学基金项目（51575461） 作者简介：邱红铭，（1990-），男，河南南阳人，硕士研究生，主要研究方向：数字化设计与制造； 张 剑，（1972-），女，四川成都人，博士研究生，硕士研究生导师，主要研究方向：虚拟制造技术，自动化技术 |
|
|
