一种高速列车轮对的建模方法

摘要

本发明提供了一种高速列车轮对的建模方法，涉及高速列车的数字化设计与制造技术领域。模型的信息集成和管理对缩短响应市场时间、提高设计效率是企业希望解决的问题。通过对所述各元参数的分析和提取，构建高速列车轮对的各元参数设计模型；利用矢量阵列对高速列车轮对的各元参数设计模型进行描述，包括以下四个步骤：各元参数初始化、各元参数数组序列化、关系元参数转化为关系矩阵、环状多边形矢量阵列描述：结合高速列车轮对的各元参数设计模型的矢量化和阵列化描述，采用环状多边形数据结构构造高速列车轮对的矢量阵列；层级对象之间通过关系元参数将各个环状多边形矢量阵列形成高速列车轮对的矢量阵列描述。主要用于高速列车设计的建模。

说明书

技术领域

本发明涉及高速列车的数字化设计与制造领域，特别是以高速列车设计模型为核心的面 向协同的设计制造一体化平台的快速定制设计。

背景技术

随着我国高速列车技术的快速发展，如何运用现有高速列车设计经验和实例知识建立快 速响应市场需求变化的高速列车设计模型成为一个亟待解决的问题。高速列车设计模型的信 息集成和管理在企业设计与制造中充当重要的角色，对缩短响应市场时间、提高设计效率和 准确性具有重要的作用。轮对作为高速列车的核心零部件，然而在现有的高速列车研究领域 中，还没有形成一种高速列车轮对设计模型表达与描述的方法，因此需将与高速列车轮对设 计相关联的参数集成起来进行设计模型表达与描述。

关于产品设计模型的研究，目前已从面向几何和特征的产品模型发展到集成的产品模型。 闫喜强提出了“元模型的复杂产品多学科信息建模方法”，【计算机辅助设计与图形学学报， 2013，25(10):1540-1548】，文中采用五元组描述设计元模型；郑荣茂提出了“面向对象元数据 技术的产品质量信息描述”，【现代制造工程，2009(6):18-22】，文中基于UML设计面向对象 的产品质量元模型，采用XML描述对象元模型的结构；但上述产品设计模型表达与描述方 法缺乏对已有设计经验和知识的重用，没有对设计模型中参数的重要程度进行序列化描述， 致使众多的参数处于一种无序的状态，影响设计效率；同时没有充分反映出设计模型中参数 之间的映射关系，致使设计过程的相关参数处于一种无向的状态，无法体现设计参数与设计 目标间的关联关系，难以实现一致性映射。

针对于高速列车轮对这种典型的复杂机械产品，需要建立一种具有参数一致性、结构分 层次的产品设计模型，以一种有序和有向的表达与描述方式，来反映高速列车轮对设计过程 中复杂的参数信息及其关联关系。然而，现有的设计模型和描述方法无法解决这一问题，为 此，有必要对高速列车轮对参数设计模型的矢量阵列进行研究创新。

发明内容

本发明的目的是提供一种高速列车轮对的建模方法，它能有效地实现高速列车轮对参数 设计模型的参数有序有向表达，为高速列车轮对的设计提供了更准确的方法和模型，进而将 高速列车已有的设计知识的重用和快速响应客户需求提供技术支持。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：具体过程如下：

一种高速列车轮对的建模方法，采用映射、集成、矢量、阵列综合的方式实现，首先， 将高速列车轮对所有的属性参数分类归纳为需求元参数、功能元参数、性能元参数、结构元 参数、接口元参数、关系元参数，通过对所述各元参数的分析和提取，构建高速列车轮对的 各元参数设计模型；

其次，利用矢量阵列对高速列车轮对的各元参数设计模型进行描述，包括四个步骤：

第一、各元参数初始化：将高速列车轮对的各元参数设计模型中的各元参数初始化为对 应的各元参数数组；

第二、各元参数数组序列化：对高速列车轮对的各元参数设计模型阵列化描述，除关系 元参数外的各元参数数组，按各元参数的重要度降序排列并转化为有权值的序列化数组；

第三、关系元参数转化为关系矩阵：对高速列车轮对的各元参数设计模型矢量化描述， 将模型中结构元参数、功能元参数、性能元参数、接口元参数和需求元参数之间的映射关系 作为关系元参数转化为关系矩阵，利用有向边作为映射关系的载体，以矢量图描述高速列车 轮对设计模型参数之间的映射方向；

第四、环状多边形矢量阵列描述：结合高速列车轮对的各元参数设计模型的矢量化和阵 列化描述，采用环状多边形数据结构构造高速列车轮对的矢量阵列；

最后，对于整个高速列车车轮而言，每一个结构的层级对象均采用这一过程进行矢量阵 列描述，层级对象之间通过关系元参数将各个环状多边形矢量阵列结合形成最终的高速列车 轮对的矢量阵列描述。

本发明与现有技术相比的优点与效果：

(1)实现了高速列车轮对的抽象化和参数化表达

在现有的高速列车研究领域中，还没有形成一种高速列车轮对设计模型参数化表达与抽 象化描述的方法。因此，需将与高速列车轮对设计相关联的参数集成起来进行设计模型表达 与描述，过程复杂而效率低下。本发明根据高速列车轮对实例设计过程，分别提取各型高速 列车轮对的属性信息建立高速列车轮对参数设计模型，以实现高速列车轮对的抽象化和参数 化表达。

(2)实现了高速列车轮对设计参数的有序和有向的表达

现有的产品设计模型表达与描述方法缺乏对已有设计经验和知识的重用，没有对设计模 型中参数的重要程度进行序列化描述，致使众多的参数处于一种无序的状态，影响设计效率； 同时没有充分反映出设计模型中参数之间的映射关系，致使设计过程的相关参数处于一种无 向的状态，无法体现设计参数与设计目标间的关联关系，难以实现一致性映射。而本发明既 继承了现有高速列车轮对设计经验知识，又充分考虑了高速列车轮对设计参数的重要度和映 射关系，可以更准确直观地反映出高速列车轮对设计过程中参数之间的映射关系，提高了高 速列车轮对的设计方法和模型的准确性和综合性。

附图说明

图1为本发明的流程图

图2为本发明的高速列车轮对各元参数映射集成设计模型

图3为本发明的轮对的各元参数设计模型的矢量阵列抽象描述

图4为本发明整个高速列车的各元参数设计模型的矢量阵列组织方式

图5为本发明高速列车轮对的各元参数设计模型的矢量阵列描述实例

实施例

下面结合附图对本发明做进一步描述：

1.高速列车轮对参数设计模型构建

高速列车轮对参数设计模型是关于轮对的参数化抽象模型，其根据实例设计过程建立， 通过分别提取各型高速列车轮对的属性信息建立各元参数模型。所述各元参数模型是通过类 的概念将高速列车轮对属性归为结构类，在结构类中以属性分类信息归纳形成各元参数属性 子类；包括，需求属性：它是用户对高速列车轮对的需求描述，包括用户对高速列车轮对性 能，如设计速度、寿命、轨距、环境温度、可靠性以及用途等方面的需求；功能属性：它是 满足用户要求的列车轮对功能和约束的集合，如承载、牵引、制动、导向等方面的属性；结 构属性：它是实现功能需求物理结构参数的集合，包括轴颈中心距、轮径、踏面形式、材料 以及内部接口参数、外部接口参数、结构参数等；性能属性：它是高速列车轮对性能参数的 集合，包括设计速度、轴重、寿命、动力学性能、强度等性能；关系属性：它包括轮对及各 属性之间的关系，如设计速度-轮径、轨距-轴颈中心距、承载-轴重、牵引-轮径、制动-轮径、 动力学性能-轮径、动力学性能-踏面形式、导向-轮径、导向-踏面形式、环境温度-材料、设 计速度-动力学性能、环境温度-强度、可靠性-强度、承载-强度、强度-材料之间的关系；接 口属性：它是高速列车部件与部件之间的连接关系，如轮对-传动、轮对-制动、轮对-一系之 间的接口。因此，高速列车轮对各元参数设计模型，包括需求属性、结构属性、性能属性、 功能属性、接口属性、关系属性方面的参数信息。

当前，在高速列车客户需求分析、概念设计、详细设计、仿真试验、生产制造等领域积 累了大量设计经验及参数分析成果。以现有的研究基础和研究成果为基础，采用在单元参数 分析的基础上进行多元参数映射集成的方法，构造高速列车轮对各元参数设计模型，以支持 设计模型的重构和重用，降低建模的复杂度，提高模型的灵活性。按照各元参数映射集成方 法，建立高速列车轮对各元参数映射集成设计模型，将需求元参数、功能元参数、性能元参 数、结构元参数、接口元参数通过关系元参数中映射关系集成到设计模型，如需求-功能映射、 功能-结构映射、需求-性能映射、结构-性能映射等。

高速列车轮对各元参数设计模型由设计对象和对象属性信息定义。采用{<轮对参数><需 求元参数><功能元参数><性能元参数><结构元参数><接口元参数><关系元参数>}表示各元 参数设计模型：

1)轮对参数

表示设计模型所描述设计对象，对于高速列车整体而言，它包括车辆、转向架模块、轮 对模块和零部件等设计对象。

2)需求元参数集合

表示高速列车轮对设计对象相关的客户需求属性参数信息，包括主体需求(路网需求和 环境需求)和关键属性(功能需求、性能需求和结构需求)。

3)功能元参数集合

表示高速列车轮对设计对象相关的功能属性参数信息，包括轮对的功能、承载、导向等。

4)性能元参数集合

表示高速列车轮对设计对象相关的性能属性参数信息，包括设计速度、安全性指标、动 力学性能指标等。

5)结构元参数集合

表示高速列车轮对设计对象相关的结构属性参数信息，包括几何尺寸参数和结构型式参 数。

6)接口元参数集合

表示高速列车轮对设计对象相关的接口属性参数信息，包括内部接口参数和外部接口参 数。

7)关系元参数集合

表示高速列车轮对设计对象相关参数之间的关联关系参数信息，包括各个元参数之间映 射的关系。

2.各元参数数组初始化

设：对象数组：Object＝{轮对i}

需求元数组：Demand＝{D_i1，D_i2，……，D_in}

功能元数组：Function＝{F_i1，F_i2，……，F_in}

性能元数组：Performance＝{P_i1，P_i2，……，P_in}

结构元数组：Structure＝{S_i1，S_i2，……，S_in}

接口元数组：Interface＝{I_i1，I_i2，……，I_in}

关系元数组：Relationship＝{R_i1，R_i2，……，R_in}

3.各元参数数组序列化

参数数组序列化是根据需求、功能、性能、结构、接口五类参数的重要程度，将权值为 1的参数划分为核心参数、权值为2的参数划分为重要参数、权值为3的参数划分为影响参 数，以参数分级结果为依据对各元数组参数进行排序，采用加权值数组方式来描述。以需求 元数组为例，具体如下：

已知需求初始化数组Demand＝{D_i1，D_i2，D_i3，D_i4，D_i5，D_i6，D_i7，D_i8，D_i9}，需求元各参数 的重要度划分结果，核心参数为{D_i2，D_i5，D_i8}、重要参数为{D_i1，D_i3，D_i9}、影响参数为{D_i4， D_i6，D_i7}。则多元参数数组序列化描述为：

Demand_ω＝{D_i2ω＝1，D_i5ω＝1，D_i8ω＝1，D_i1ω＝2，D_i3ω＝2，D_i9ω＝2，D_i4ω＝3，D_i6ω＝3，D_i7ω＝3}

4.关系元参数转化为关系矩阵

关系元参数表征参数之间的关联关系，即各个元之间参数映射的关系；两个元之间的关 联关系可能存在三种映射关系，分别为一对一、一对多、多对一，以拓扑矩阵来描述两个元 之间参数的映射关联。在高速列车轮对设计领域中，主要包括从需求到功能、性能和结构映 射，功能和结构映射，结构和性能双向映射、接口和结构双向映射关系。以需求元参数与性 能元参数之间的映射关系为例说明，将对象的设计客户的需求和性能形成映射，将客户需求 反映到对象模型性能属性当中。

已知需求元参数序列化数组：

Demand_ω＝{D_i2ω＝1，D_i5ω＝1，D_i8ω＝1，D_i1ω＝2，D_i3ω＝2，D_i9ω＝2，D_i4ω＝3，D_i6ω＝3，D_i7ω＝3}

性能元参数序列化数组：

Performance_ω＝{P_i6ω＝1，P_i2ω＝1，P_i3ω＝1，P_i1ω＝2，P_i4ω＝3，P_i5ω＝3}

需求元参数与性能元参数之间映射的关系为关系元数组中部分参数：R_i1、R_i2、R_i3、R_i5、R_i6、 R_i7、R_i10。以需求元参数序列化数组为列名，性能元序列化数组为行名，以关系元数组中的参 数为矩阵元素，在矩阵中以数字1来表示存在的关系，则形成6×9的拓扑关系矩阵为：

$\left(\begin{array}{ccccccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0\end{array}\right)$

5.环状多边形矢量阵列

首先，根据轮对的需求、功能、性能、结构、接口各元参数形成环状五边形，然后分别 将其带有权值的序列化元参数排布在各个边上，再将拓扑关系矩阵以带有参数关系的有向边 表达不同元参数之间的映射关系，对各个元边上的参数节点进行映射连接，最终形成一种矢 量阵列的数据结构，建立的轮对的各元参数设计模型的矢量阵列抽象描述。

6.对于高速列车整个产品的描述，以高速列车各个组份模块的结构层级包含关系及其结 构空间的接口关系为依据，将各个组份模块按照上述过程进行环状多边形矢量阵列抽象描述， 通过包含关系和接口关系组织起来，最终形成的整个高速列车的多元参数设计模型的矢量阵 列组织方式。

根据上述的轮对参数设计模型的抽象描述方法，对高速列车轮对的参数设计模型的描述 具体实施如下：

1.高速列车轮对各元参数设计模型建立及各元参数数组初始化

根据国内外高速列车实际情况设定高速列车轮对各元参数设计模型，首先以现有高速列 车轮对设计知识为基础采集数据建立高速列车轮对各元参数设计模型。高速列车转向架的轮 对采用七元组表示的各元参数设计模型如下：

{<轮对参数><轮对需求元参数><轮对功能元参数><轮对性能元参数><轮对结构元参数>< 轮对接口元参数><轮对关系元参数>}

<轮对需求元参数>＝{设计速度，寿命，轨距，环境温度，可靠性}

<轮对功能元参数>＝{承载，牵引，制动，导向}

<轮对性能元参数>＝{设计速度，轴重，寿命，动力学性能，强度}

<轮对结构元参数>＝{轴颈中心距，轮径，踏面形式，材料}

<轮对接口元参数>＝{轮对-传动，轮对-制动，轮对-一系}

<轮对关系元参数>＝{设计速度-轮径，轨距-轴颈中心距，承载-轴重，牵引-轮径，制动- 轮径，动力学性能-轮径，动力学性能-踏面形式，导向-轮径，导向-踏面形式，环境温度- 材料，设计速度-动力学性能，环境温度-强度，可靠性-强度、承载-强度，强度-材料}

对模型中各个参数进行赋值即得到相应的具体设计实例。

2.轮对各元参数数组序列化

针对高速列车转向架的轮对各元参数设计模型，根据专家设计经验对各个参数的重要程 度进行赋值排序，得到序列化的数组如下所示：

<轮对需求元参数>_ω＝{设计速度_ω＝1，环境温度_ω＝1，轨距_ω＝1，可靠性_ω＝2，寿命_ω＝3}

<轮对功能元>参数_ω＝{承载_ω＝1，牵引_ω＝1，制动_ω＝1，导向_ω＝1}

<轮对性能元参数>_ω＝{设计速度_ω＝1，轴重_ω＝1，动力学性能_ω＝1，强度_ω＝1，寿命_ω＝2}

<轮对结构元参数>_ω＝{轮径_ω＝1，踏面形式_ω＝1，轴颈中心距_ω＝2，材料_ω＝2}

<轮对接口元参数>_ω＝{轮对-传动_ω＝3，轮对-制动_ω＝3，轮对-一系_ω＝3}

3.关系元参数转化为关系矩阵

将高速列车转向架的轮对各元参数设计模型中的关系元参数转化为关系矩阵，得到的不 同元参数之间的关系矩阵如下所示。

需求元参数-性能元参数5×5拓扑关系矩阵：

$\left(\begin{array}{ccccc}1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right)$

需求元参数-结构元参数4×5拓扑关系矩阵：

$\left(\begin{array}{ccccc}1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0\end{array}\right)$

功能元参数-结构元参数4×4拓扑关系矩阵：

$\left(\begin{array}{cccc}0& 1& 1& 1\\ 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)$

性能元参数-结构元参数4×5拓扑关系矩阵：

$\left(\begin{array}{ccccc}1& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0\end{array}\right)$

功能元参数-性能元参数5×4拓扑关系矩阵：

$\left(\begin{array}{cccc}0& 0& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\\ 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0\end{array}\right)$

4.环状多边形矢量阵列

首先根据轮对的需求、功能、性能、结构、接口元参数形成环状五边形，然后分别将其 带有权值的序列化元参数排布在各个边上，再将拓扑关系矩阵以带有参数关系的有向边表达 不同元之间参数的映射关系，对各个元参数边上的节点进行映射连接，最终形成一种矢量阵 列的数据结构，建立高速列车轮对的各元参数设计模型的矢量阵列描述。

本发明以高速列车转向架的轮对建模为实施实例，其余部件建模设计与此同理。