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产品开发过程中的设计原理及应用实例

发表时间:2002/12/25  特约撰稿人: 朱全敏 博士 来源:投稿
    铁路车辆大致可以分为车体、转向架、连接缓冲装置等部分。转向架是铁路车辆的走行部分,它的作用是承受车体上部的重量,传递牵引力和制动力,缓和线路对车辆的冲击。转向架一般包括轮对轴箱装置、弹性悬挂装置、构架和侧架、基础制动装置、车体支承装置等部分(如图1)。目前,我国铁路货车的主型转向架是转8A型转向架,包括:轴承、轮对、侧架、锲块、摇枕、枕簧、滑槽式基础制动装置、旁承及下心盘等主要零部件组成。
   
    转向架的设计问题是铁路货车的设计中较为复杂的问题,车辆运行的安全性和平稳性主要取决于转向架设计是否合理。转向架设计中弹簧减振器是关键部件,弹簧减振器的主要参数有二十多个,静态约束有十几条,车辆系统的振动(包括垂直、横向、滚摆、点头等形式),轮对的蛇行运动(低速、高速时不同)、列车的曲线通过特性(通过弯道的抗倾覆、抗脱轨性能)等动力学性能直接与弹簧减振器的结构参数有关。
    转向架的设计一般要经过设计参数、有限元分析和动力学性能校核三个步骤,目前的设计活动遵循“设计、分析、更改”的形式,即进行有限元分析或动力学性能校核发现不能满足要求,再返回设计部门进行修改。由于涉及的参数较多,参数之间的耦合关系也比较复杂,转向架结构参数的设计往往需要较多时间。尤其是结构参数对于车辆的动力学性能的影响,往往只能依靠设计人员的经验来进行判断,当模型比较复杂时,容易造成设计人员判断失误,工程更改则带来产品开发周期延长,质量水平下降等问题。
    因此,需要为设计人员提供一种工具,使他们在进行结构参数的设计计算时,能够直观的理解参数调节对于动力学性能的影响。下面用一个简单的举例来说明如何用设计原理系统指导参数调节。
    转向架中的弹簧减振器被作为关键部件来处理,对其进行行为仿真和原理解释,但是设计人员在完成弹簧和减振器的参数设计以后对车辆的振动性能进行分析。车辆振动系统的简化模型中,图2(a)只考虑有非线性阻尼的垂直自由振动,图2(b)是弹簧减振器的示意图,弹簧减振器的参数有二十多个,包括簧条直径、弹簧圈数、弹簧刚度、摩擦面角、摩擦面系数等,根据仿真需要进行适当简化。
   
    STEP1)什么影响车体的振幅?
    *车体离开平衡位置的距离;
    STEP2)什么影响车体离开平衡位置的距离?
    *车体的运动速度;
    STEP3)什么影响车体的运动速度?
    *车体的加速度;
    STEP4)什么影响车体的加速度?
    *车体的质量;
    *车体受力的合力;
    STEP5)什么影响车体受力的合力?
    *弹簧的弹力;
    *减振器的摩擦力;
    STEP6)什么影响减振器的摩擦力?
    *减振器的摩擦系数;
    *弹簧的刚度;
    *弹簧的静绕度;
    *车体离开平衡位置的距离。    
    仿真结果主要以两种方式显示,一种是传统的参数曲线形式,如车体的受力、离开平衡位置的距离、运动速度等参数随时间变化的曲线,还可以考虑绘制动力学参数随着结构参数变化的曲线,如振幅、频率随弹簧刚度变化的曲线。另一种是查询驱动的用户界面,用鼠标点击带星号的元素,可以获得仿真结果。
    STEP1至STEP6说明了用户利用原理解释系统把结构参数和动力学参数联系起来的过程。在理想的情况下,用户对于某一结构参数进行调节,系统应该立即能够预测动力学参数的变动趋势,这需要利用定性仿真技术,这也是系统进一步发展的方向。
    从上述典型的某机械产品的设计过程,可以看出设计原理在产品开发中的意义。
    设计原理可以定义为:结构/参数空间和功能/性能之间双向推理过程及相关知识(包括产品知识、设计知识和特定设计背景下的事实)的总和。
    设计原理研究的体系结构分为三大部分:设计原理的模型和表达、设计原理的捕获、设计原理的使用、设计原理的存取和设计原理的集成。设计原理的模型和表达是进行设计原理捕获、使用、存取和集成的基础。
    研究设计原理,可以从两个不同的角度入手:一是从设计人员的决策过程(如何提出并解决问题)入手;二是从设计对象各个描述(功能、结构、行为等)之间的关系入手,按照设计原理内容的两个基本方面,设计原理的模型和表达包括决策过程的模型和表达以及设计对象描述的模型和表达。
    设计原理的捕获是通过设计知识的表达及捕获间的交互而实现的,其过程如图3所示:
    
    

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