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图书分类

Book classification
  1. 本书主要对高速列车数字化设计,基于多体系统的动力学分析与性能设计,设计与分析集成等进行了总结,意图是从设计进程迭代的角度,阐述在高速列车数字化设计上的所得。主要内容包括:复杂机械系统及高速列车虚拟样机;高速列车虚拟样机框架及平台研究;基于顶层指标分解的高速列车转向架概念模型表达;基于模块化的高速列车转向架参数化设计;面向分析的高速列车虚拟样机—基于MRA架构的设计分析集成;面向CAD的高速列车动力学开发。...查看更多
  2. 前  言
    2002年作者从牵引动力国家重点实验室博士后出站时,虚拟样机技术是航空航天领域非常热门的研究领域,结合作者对我国机车车辆领域研发现状的肤浅认识以及在机械学科从事数字化设计与制造方向的特点,希望很深入地了解虚拟样机技术在机车车辆领域的研究现状和情况。通过查阅相关资料,并与我国机车车辆领域著名专家张卫华教授沟通后,觉得这个领域非常有前景,正好张教授承担了一个有关机车车辆性能动态设计的铁道部项目,他建议我加入到该领域的研究,当时也正是在先进制造领域确定研究方向的徘徊时刻,觉得这是未来发展的方向之一,于是果断听取了张教授的建议。后续在张教授的支持下,深入开展了有关数字化设计与制造在机车车辆领域的研究工作,并有幸参加了轨道交通国家实验室(筹)的高速列车数字化仿真平台的建设工作。
    2007年以后迎来了高速列车在我国的大发展时期,在张教授的带领下,我和我的团队成员有幸参与了科技部与铁道部的两部联合行动计划,并在后续的研究中实质性地参与了有关高速列车创新研制的国家需求项目,也得到了多个国家自然基金项目的资助,在高速列车数字化设计研究方面有了一些实质性的进展,于是在归纳总结的基础上,将其成文,希望为我国高速列车的创新有所帮助。
    本书重点从系统论的角度,论述设计模型、分析模型、仿真模型、优化模型之间的信息及数据传递或过渡的机理及技术方法,以形成设计驱动的高速列车整机性能参数动态优化设计方法,使得设计过程在一个相对闭环的迭代过程中,有效找到高速列车整机性能参数的设计域,设计参数变化规律和设计参数对设计目标的重要程度,从而指导高速列车整机性能参数的优化设计和试验,在数字化样机阶段无风险地分析并减少设计缺陷,提高设计质量和效率,降低设计往复的成本,尽量减少物理试验次数和对物理样机的过渡依赖。
    本书是团队一起合作完成的结果,其中第1~2章由丁国富及博士生何邕完成,第3章由丁国富、黎荣、博士生张海柱完成,第4章由邹益胜完成,第5章由丁国富及博士生何邕完成,第6~7章由张剑和博士生姜杰完成,第8章由黎荣及博士生张海柱、姜杰、谢星完成,丁国富负责整个统稿工作,其中邹益胜、张剑和姜杰参与了大量的校对工作,在此对数字化设计与制造团队所有成员表示感谢。
    本书的出版得到了国家自然科学基金(51305367,50975240,51575461)资助,部分内容也来自国家科技支撑计划、四川省青年科技基金的支持,在此对资金提供的单位表示感谢。本书的研究也得到了牵引动力国家重点实验室张卫华教授及其同仁的大力支持,是他们将我引入了高速铁路的舞台,在此,对他们的帮助和支持表示深深的感谢。


    丁国富    
    于西南交通大学
    2015年10月
     
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  1. 设计分析集成是一个普遍的问题,由于各CAD和CAE开发历程的原因,导致CAD/CAE之间有效集成形成一体化模型一直没有得到很好解决,尽管采用了第三方文件格式(比如IGES和STEP等方式)进行中间过渡,但因为传递信息的不准确或者过少,导致模型的精度不高。要实现真正的虚拟样机,需要在数字样机上进行各种功能和性能试验。进行基于仿真的设计,必须将CAD和CAE有效地集成起来,在底层共享相关数据。
    针对复杂机电系统,目前设计分析能够集成起来的研究很少,大部分还是借助于三维CAD的中性文件输出,进行模型修剪操作后进行CAE分析。但这种数据已经不能回到CAD环境中,尤其经过了拓扑或者性能优化的模型,很难将按照网格组合的模型返回到具有实体特性的CAD环境中。究其根本原因,三维CAD环境是基于产品的特征进行建模,这种特征更适合设计、制造等。而CAE是基于CAD三维模型,一旦被处理后,所得到的模型已经只是几何本身,没有其他相关实体和特征等信息。这导致双方交换数据存在瓶颈,这种瓶颈是制约现在CAD和CAE不能很好衔接的关键因素,具有挑战性。
    复杂机电系统的设计是一个循环往复的过程,从这个角度理解设计是一个闭环的过程,即是在给定的需求、指标情况下,确定研发目标,然后驱动设计活动,使得产品逐渐满足各项指标,达到要求。设计、分析的结果需要进行处理,而这些可以通过优化来完成,使得开环设计变成真正的闭环设计。优化设计已经广泛应用在产品的研发上,尤其在产品的结构优化、拓扑优化上,现在也逐渐在动力学领域得到探索和应用。
    复杂机电系统的性能分析,最重要的是基于整机的动力学分析。如何建立设计、分析一体化的复杂机电系统动力学模型,对解决复杂机电系统自身性能起到非常关键的作用。除了前面CAD/CAE未能很好地集成起来以外,在动力学性能分析优化方面也未能很好结合。存在的主要挑战是:
    (1)设计域的设计参数过多,导致设计空间过大,问题求解规模很大,很难进行设计优化。
    (2)基于多体系统动力学优化,需要求解非常复杂的微分方程,解算繁琐。
    (3)设计、分析和优化都在不同的平台上进行,很难将其整合在一起进行一体化研究。
    复杂机电系统的闭环设计是将设计模型、分析模型以及优化模型等集成在统一的框架下,实现设计模型到分析模型映射、分析模型到优化模型的传递,最后基于优化模型得出的优化设计参数再反馈到设计,从而反馈修改或指导设计。
    本章重点阐述以设计、分析、优化为核心的复杂机电系统闭环设计理论及方法,进而以高速列车的设计为对象,研究高速列车在设计、分析、优化集成中的具体技术。
    2.2  复杂机电系统数字化设计、分析、优化集成
    数字化设计是目前主流的设计方法,作为一种全新的设计手段,从系统工程的观点出发,强调设计、分析、优化为一个整体。产品从方案设计中获得设计原型,经过对各种分析领域建模,并提交分析工具进行分析求解,优化相关参数以获得结果;再根据结果进行综合,获得对设计目标的改进,并反馈给设计模型进行修改。循环以上过程,直到与目标接近或一致,从而减少试制次数,降低成本。由此可见,设计模型是设计的主体,任何分析模型不能脱离该模型,分析模型的准确性必须严格依据设计模型而建立。
    根据复杂机电系统的研究重点,其数字化闭环设计流程如图2-1所示。由于设计模型是分析模型的基础,首先进行复杂机电系统的参数化设计,通过参数设计形成复杂机电系统数字样机;然后基于设计模型进行不同学科的映射,以及不同学科的属性提取,得出不同学科分析模型的参数集。在此之后,基于不同学科的分析模型参数集进行各学科的分析模型重构,建立起各个学科的分析模型,再将分析模型转化成仿真模型;最后,基于仿真模型的输入和输出数据构建各个学科仿真的代理模型,基于代理模型构建复杂机电系统的多目标优化模型,通过多目标优化算法得出优化后的设计参数从而来反馈修改设计,得出满足设计目标的设计参数和设计模型,实现复杂机电系统的闭环设计。
     
    图2-1  复杂机电系统数字化闭环设计流程
    由上述过程可知,产品的设计更新是渐进的迭代过程。迭代多用于算法分析,应用于此引申为:在流程固定的基础上,通过不断修正产品设计的输入信息以获得朝着目标收敛的结果,如此循环运行,直至逼近或达到目标。产品的每个设计循环必须经过设计、分析和优化等过程,模型综合分析的结果将以反馈的方式驱动这个过程继续迭代,直到获得满意的结果。因此,复杂机电系统的设计、分析、优化集成可以理解为产品闭环设计过程。由于设计过程的复杂性,如何驱动这些过程朝着设计目标收敛,需要具有感知设计过程的智能体(Agent)进行控制。智能迭代综合采用类似于人的演绎和推理技术,用于对设计前的分析并感知设计后的结果,以驱动设计更新,结合系统的信息反馈机理,可以加快设计的过程朝着设计目标逼近。
    产品设计是串联和并联相结合的循序渐进过程,该过程可以抽象为图的形式。将产品模型表达为一种约束结构图,节点反映同一产品模型下不同的产品分析视图。视图是指产品在不同应用层面的投影,由数据对象和关系对象组成。图中:VG为几何视图;VD为动力学物理模型视图;VF为有限元结构模型视图。由图2-2可知,VD,VF和VG具有互联关系,VD和VF可以由转化得到。在约束结构图纵向表达设计的不同阶段,节点所表达的视图发生相应的变化,可以支持设计进程和分析视图的变化。
     
    图2-2  产品设计过程抽象
    产品整个设计过程可以抽象为图2-3所示的带反馈信息的闭环系统。图中各子视图模型进行局部反馈以优化模型,综合评价包括了各个视图的结果并进行综合以优化全局视图模型,子视图之间通过权重决定对全局模型的贡献度。
     
    图2-3  产品设计过程反馈模型
    产品设计模型、分析模型、仿真模型和优化模型是实现反馈策略的关键。4个模型贯穿于整个设计闭环过程,通过相互之间的关联感知模型更新和对模型进行校正,并推动模型反馈迭代,以获得满意的设计结果。
    1.产品设计模型
    产品设计模型具有多层结构,在每个设计层次中,含有本阶段相关的设计进程,包括产品需求、设计选择和设计组件(设计特征的集合),同时分析模型与产品需求(设计约束)及设计组件相关联。设计模型、用户等组件之间的交互通过设计知识和规则进行控制。设计模型在用户的交互下,驱动每一设计层次中的虚拟设计过程。在用户的交互下,不同的分析应用视图从设计组件中提取特征参数信息,导出分析模型。产品设计模型与分析模型间的关系如图2-4所示。
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  1. 第1章  概  述 1
    1.1  复杂机电系统 1
    1.2  复杂机电产品虚拟样机技术 2
    1.3  高速列车的复杂机电系统 7
    1.4  高速列车虚拟样机技术 9
    1.5  高速列车虚拟样机技术现状及趋势 11
    1.6  本书内容 12
    1.7  本章小结 12
    参考文献 12
    第2章  高速列车设计、分析、优化集成 14<br/>2.1  引 言 14
    2.2  复杂机电系统数字化设计、分析、优化集成 15
    2.3  高速列车数字化设计、分析、优化集成建模 19
    2.4  面向设计模型的高速列车设计、多体动力学分析集成描述 28
    2.5  本章小结 38
    参考文献 38
    第3章  面向设计模型的高速列车分析模型映射 40
    3.1  复杂机电系统分析模型属性提取 40
    3.2  高速列车动力学分析模型属性提取方法 51
    3.3  本章小结 65
    参考文献 65
    第4章  高速列车多分析视图耦合仿真 67
    4.1  复杂机电系统多分析视图耦合仿真 67
    4.2  高速列车多分析视图模型耦合仿真 73
    4.3  本章小结 85
    参考文献 85
    第5章  面向多体系统的高速列车动力学参数灵敏度分析 87
    5.1  灵敏度分析概述 87
    5.2  面向设计的多体系统灵敏度分析模型 88
    5.3  面向设计模型的高速列车灵敏度分析模型研究 100
    5.4  本章小结 112
    参考文献 112
    第6章  高速列车基于代理模型的整机性能设计参数灵敏度分析 114
    6.1  高速列车动力学模型构建 114
    6.2  高速列车设计空间缩减和确定 121
    6.3  高速列车动力学代理模型方案 124
    6.4  构建高速列车改进神经网络代理模型 128
    6.5  高速列车设计参数灵敏度分析和关键参数识别 133
    6.6  本章小结 136
    参考文献 136
    第7章  高速列车基于代理模型的动力学设计参数优化 139
    7.1  概  述 139
    7.2  高速列车动力学设计参数优化算法和流程 141
    7.3  优化模型的建立 143
    7.4  高速列车动力学设计参数优化过程 148
    7.5  Pareto非支配解集数据分析 155
    7.6  本章小结 160
    参考文献 160
    第8章  高速列车设计、分析、优化集成平台 162
    8.1  高速列车数字化设计面临的挑战 162
    8.2  高速列车设计、分析、优化集成框架 168
    8.3  高速列车设计、分析、优化集成平台搭建 171
    8.4  本章小结 218
    参考文献 219
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