基于性能驱动的车体概念设计及其系统构建研究

黄雪飞，孙海荣，朱涛，肖守讷，雷军

基于性能驱动的车体概念设计及其系统构建研究

黄雪飞1，孙海荣1，朱涛2，肖守讷2，雷军2

（1.中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山 064000；2.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031）

在传统高速列车设计中，设计师凭经验选择最相似列车对其局部进行改进设计，设计周期较长、设计迭代次数多。根据复杂机械产品性能驱动的特点，将性能指标纳入“需求－功能－结构”这一传统理论体系，构建“需求－功能－性能－结构－参数”（RFPSP）的“五域”设计理论体系。在“车体系统典型性能指标与设计参数的关系分析”的基础上，研究车辆概念设计流程与方法，开发以性能驱动的车体概念设计系统，搭建列车可视化设计工具与平台，为快速实现高速列车方案设计提供技术支撑。最后以车辆限界作为边界条件为例，驱动车体轮廓参数设计，根据振动模态分析，对不同门窗布置、车体结构参数分配等情况进行车辆动力特性分析，从而获取较优的车体布置方案。

高速列车；性能驱动；车辆限界；模态

在车体设计方法研究方面，已有学者针对车体参数的设计展开了广泛研究，文献[1-2]为分析车体结构参数对车体模态特性的影响，以计算机仿真技术为基础，研究了车体结构中各部件主要尺寸的厚度变化对车体模态频率的影响，以指导车体的结构优化；文献[3-4]针对车体结构，通过构建基于多层骨架的车体参数化模型实现车体快速设计系统的开发和系统优化；文献[5]采用车体自顶向下设计和利用中性文件，达到设计模型与有限元仿真模型的自动转换，从而实现车体的设计和分析在同一平台下得以展示。但使用相关软件进行迭代仿真计算，具有一定难度，且设计周期长、工作量大，极大地制约了车体方案设计效率。

性能驱动设计理论是现代设计理论的重要组成，文献[6-7]明确提出了性能需求驱动理论的概念范畴，并指出用特征来对性能需求进行描述，即性能特征。文献[8]认为性能是对功能和行为的度量，即产品所能实现的预定工作状况如何，而功能则被定义为期望从设计的产品中所获得的输出。文献[9]分析了复杂机械产品的性能、功能和质量这三个要素，论述了性能在现代产品设计流程中的核心地位。文献[10]研究了性能需求到设计结构的映射方法，以商空间理论描述产品结构视图，通过相似特征匹配实现性能需求到产品结构的映射转化。

目前对性能驱动设计理论方法的研究还不多，主要集中在性能特征建模、性能知识表达、性能特征模型到产品模型的映射等方面[11-12]，还未系统地将性能概念融入“需求－功能－结构”设计理论体系。本文针对复杂机械产品性能驱动的特点，提出将性能指标纳入“需求－功能－结构”体系，构建“客户需求－功能－性能指标－结构－设计参数”五域设计理论体系[13]，以性能驱动的“五域”设计理论为基础，开发轨道车辆参数管理与设计系统平台，为指导车辆的方案设计提供理论方法和使能工具。

1 性能驱动设计方法

1.1 “五域”概念的提出

对于高可靠性产品，性能需求是用户对产品要求的主要内容，是产品设计过程顺利向前推进的根本出发点；性能特征是控制整个设计过程的基本特征，即在产品性能特征的调控下，产品的功能特征、结构特征等之间的反复映射；性能指标及其所对应的性能模型是在产品设计过程中实现方案设计、测试、评价与决策的基本要素，是设计过程中实现实时控制与在线管理的核心内容。

针对现有设计理论的不足，本文提出根据复杂机械产品的性能特征要求，在传统的“需求－功能－结构”三要素设计理论体系中，建立性能指标和设计参数要素，形成以性能驱动的设计理论体系。以高速列车为例，结合现有研究成果和标准，定义一套较为完整的高速列车“客户需求－功能－性能指标－结构－设计参数”五域数据模型及其构造体系，这为后续的参数关系研究提供基础，为高速列车设计规范以及评定标准提供参考。在五域概念提出的具体实施方案中，根据产品的功能等需求初步确定产品的基本概念模型并细化产品结构，以此确定产品的设计参数，并对服役环境下的产品进行性能评价和功能验证。换言之，产品是结构和设计参数的集合，产品功能的实现载体是产品结构，性能指标满足的是产品的设计参数，最终产品必须适应其工作条件、服役环境，如图1所示。因此，依据客户需求，明确产品的功能和性能指标，形成产品的功能域和性能域；根据功构关系映射，建立产品结构域；在结构的基础上，确定产品的设计参数[14]；从而实现在产品的服役环境下评价产品性能，同时要对产品的功能进行验证。为此定义产品的服役环境域、功能域、性能指标域、结构域和设计参数域，即“五域”，如图2所示。

通过“五域”系统，建立某类车型的通用指标体系，可以实现在整个设计过程中，数据的唯一性和完整性，这也是复杂产品设计系统要能够完成设计功能必须具备的数据要求。

图1 “五域”关系

图2 产品设计“五域”

1.2 基于性能的参数关系研究

目前的高速列车采用逆向设计，根据服役边界条件（需求），选择类似车辆进行改进设计，再进行仿真实验分析完成设计。逆向设计方法是一种有效的设计方法，但高速列车是一个多学科多性能的复杂机械系统，有些性能指标对参数的敏感性很强，导致某一参数的改变并不能同时满足多个性能指标。

为此基于已提出的五域概念，厘清了产品各个要素之间的本质关系，形成以用户需求为目标、性能指标为驱动、功能模块为配置、结构单元为载体的参数设计体系（其设计基础是功能、结构的模块化和参数化设计）。因此，车辆的功能和结构一经确定，就形成了服役环境条件→性能指标→设计参数之间的相关关系，这是一个正向传递关系。

以性能驱动的“五域”设计理论为基础，针对列车总体参数设计，运用质量屋理论，构建列车服役边界条件－性能指标－设计参数间的映射方法，求解计算其重要度，确定参数的影响因子，并分析其参数网络拓扑关系[15-16]；建立典型性能指标与设计参数的函数关系，为参数设计建立较为完整的设计路径。结合典型函数关系研究成果[17-21]，以挤压型材拼焊的车体方案设计为例，构建具有自主知识产权的开发设计平台，为高速列车方案设计提供快速设计系统。如图3所示。

图3 性能驱动的参数关系研究体系架构

1.3 基于性能驱动设计数据传递映射关系

复杂机械产品具有多层次性，系统的不同层级要实现数据的传递。根据数据特征，将服役边界条件和性能指标按照继承的方式，而功能、结构和设计参数按照细分的方式进行传递，并将其数据模型组织结构应用于某型高速列车概念设计实例中，为此本文在基于五域概念与参数关系研究的基础上，以挤压型材拼焊的车体方案设计为例，着重对其关键技术进行研究，其中断面设计以用户提出的车辆限界和安全裕量作为边界条件，以车体一阶垂弯频率和扭转频率为性能驱动，进行车体断面和门窗布局设计。如图4所示。

图4 性能驱动设计数据传递映射关系（以车体模态为例）

2 基于性能驱动设计系统构建

2.1 系统结构与运行流程

根据图5所示，基于性能驱动设计系统结构与运行流程主要包括以下过程：

（1）首先按照车辆类型定义通用“五域”，通用“五域”具有该车辆应用的全部特征。

（2）建立车辆设计实例，该实例是针对具体车辆而设计。对具体的车辆参数设计，以车辆管理为基础，车辆编号作为设计实例的唯一标识。

（3）建立该设计车辆的“五域”，由通用五域继承而来。该车辆“五域”建立后，进行参数关系分析。

（4）同时根据车辆进行服役需求管理、结构布局设计、性能指标确定。

（5）根据参数关系研究和性能指标等，进行参数设计。

（6）子系统实例流程与总体车辆相同，子系统的“五域”是由总体系统继承和细分而来。通过继承或细分后，将上一级的相关指标带入下一级系统，从而形成参数的传递关系。

其中，参数关系研究应用参数关系分析工具进行，通过参数指标的重要度分析、网络关系分析和函数关系研究，得到参数的重要度和设计参数的优先度，并开发部分函数关系工具集。车辆的服役需求管理，其主要内容就是边界条件的数据管理；其次是获取车体功能模型，通过边界条件和功能模型的通用模型和特殊模型（通用模型是按照车体类型建立的模型）建立技术指标集（分通用指标和特殊指标）。通过功能模型完成车体结构配置和布局设计（以模块化设计为基础），结构确定后进行参数配置，即设计参数体系确定（通用设计参数和特殊设计参数）。最后进行车体参数设计，其参数设计需要调用参数设计相关工具和标准数据库。在参数设计时，采用按照结构模块方式和优先度方式。其中结构模块方式分为车体总体参数和子系统参数设计（截面参数、端墙参数、底架参数、侧墙参数和门窗参数等）；优先度设计方式按照独立结构参数、优先设计参数和关联设计参数的顺序设计，该顺序来源于参数网络关系分析。

图5 系统结构与运行流程图

2.2 系统主要模块划分

根据系统结构和运行流程，系统主要功能模块包括基础数据管理、项目管理、五域建立、参数关系分析、参数设计、参数设计工具集和系统帮助，如图6所示。

其中，基础数据即对系统基础数据字典进行定义与维护，主要是对“五域”进行数据定义。车辆参数关系管理车辆“五域”关系建立后，就形成了以用户需求为目标、以性能指标为驱动、以功能模块为配置、以结构单元为载体的参数设计体系。功能模块和结构单元一经确定，就形成了服役边界条件－性能指标－设计参数的关系体系。建立通用类型车辆参数体系及其关系，为车辆参数设计提供理论支撑。包括边界条件管理、车辆技术体系管理和设计参数体系管理及其相互关系分析。典型参数设计工具集是将研究的参数关系开发为子工具，一方面可以单独作为工具使用，另一方面在车体参数设计时直接进行调用，其包括车体轮廓设计、车体模态分析、布局设计。车辆参数设计包括服役需求管理、结构布局设计、性能指标确定和设计参数设计，分为总体和子系统模块。系统帮助提供该系统的使用说明。

图6 主要功能模块结构图

3 应用实例

以挤压型材拼焊的车体方案设计为例，其中断面设计以用户提出的车辆限界和安全裕量作为边界条件，以车体一阶垂弯频率和扭转频率为性能驱动，进行车体断面和门窗布局设计。车体方案设计流程，如图7所示。

从限界出发快速构建车体断面轮廓和断面型材模型，实现车体断面参数化设计；车体布置方案设计是在车体断面参数化设计的基础上，通过建立端墙且侧墙上含有门窗的车体模型，并根据车体的端墙、车门、车窗及封闭截面等不同轮廓进行粗分段，得到车体各分段截面详细参数，然后以车体断面参数和门窗参数等车体参数为变量，求解车体一阶垂弯频率、扭转频率等性能指标。故根据振动模态分析，可对不同门窗布置、车长/宽/高、平顶长/高、车辆重量的基本分配等情况进行车辆动力特性分析，从而获取较优的车体布置方案，指导车辆的概念设计。

图7 车体方案设计流程

3.1 用户需求管理

边界条件需求主要包括地理条件、气候条件、线路条件等，在项目需求管理界面可显示项目的主要信息，并通过项目信息的车辆类型加载边界条件体系，可在系统界面录入边界条件值。安全裕量确定主要涉及能力指标、安全性指标、RAMS指标以及环保性指标等，可通过项目信息的车辆类型加载车辆性能指标体系，可在系统相应界面录入性能指标值。

3.2 车体断面设计

以用户提出的车辆限界和安全裕量作为边界条件，求解车体断面轮廓并布置设计其筋板。系统主要包含：车辆限界关键点选择及型材划分、车体断面轮廓线设计、车体断面型材设计，由于车体断面关于中心线左右对称分布，故在计算程序中绘制右侧一半即可，如图8所示。

图8 车体断面设计

3.3 车体布置方案设计

车体布置方案设计是在车体断面参数化设计的基础上，通过建立端墙且侧墙上含有门窗的车体模型，并根据车体的端墙、车门、车窗及封闭截面等不同轮廓进行粗分段，得到车体各分段截面详细参数；然后以车体断面参数和门窗参数等车体参数为变量，求解车体一阶垂弯频率、扭转频率等性能指标，程序得到的车体一阶垂弯频率为15.86 Hz，一阶扭转振动频率为19.84 Hz，满足整备状态车体最低弯曲频率不低于10 Hz的规范要求。从而以车体一阶垂弯频率和扭转频率为性能驱动，进行车体断面和门窗布局设计。

4 结论

（1）本文提出将性能指标纳入“需求－功能－结构”这一传统理论体系，构建“客户需求－功能－性能指标－结构－设计参数”五域设计理论体系，建立基于性能驱动的列车设计五域数据模型及其构造体系，为高速列车设计规范以及评定标准提供参考。

（2）以性能驱动的“五域”设计理论为基础，构建了轨道车辆参数管理与设计计算机辅助设计系统。给出了系统结构和运行流程，搭建了主要功能模块。

（3）以挤压型材拼焊的车体方案设计为例，其断面设计以用户提出的车辆限界和安全裕量作为边界条件，以车体一阶垂弯频率和扭转频率为性能驱动，布局设计车体断面和门窗。

（4）借助具有人机友好的可视化软件开发车辆参数管理与设计系统，实现了车体方案初步方案设计。

运行表明，系统显著提高了车辆参数设计效率，具有较好的实用价值，为指导车辆的概念设计提供了新的方法与实用工具。

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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

国家重点研发计划课题“高速铁路装备本构安全技术”（2016YFB1200403）

黄雪飞（1985－），女，河北唐山人，硕士研究生，工程师，主要从事高速列车系统集成及车辆动态设计研发工作，E-mail：495920257@qq.com。