丁國富, 姜 杰, 張海柱, 馬曉杰,黎 榮, 鄒益勝, 張 劍

(1. 西南交通大學(xué)先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究所, 四川 成都, 610031; 2. 西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都, 610031)

我國高速列車數(shù)字化研發(fā)的進(jìn)展及挑戰(zhàn)

丁國富1,2, 姜 杰1, 張海柱1, 馬曉杰1,黎 榮1, 鄒益勝1, 張 劍1

(1. 西南交通大學(xué)先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究所, 四川 成都, 610031; 2. 西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都, 610031)

高速列車數(shù)字化研發(fā)是高速列車設(shè)計(jì)的重要方法，是突破其關(guān)鍵理論及技術(shù)的重要手段，也是適應(yīng)個(gè)性化、多樣化需求的快速定制手段，以數(shù)字化為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)化、信息化和智能化是高速列車未來的發(fā)展方向.從高速列車引進(jìn)到全面自主創(chuàng)新，其研發(fā)手段經(jīng)歷了從單個(gè)學(xué)科的仿真向耦合大系統(tǒng)仿真方向發(fā)展，由僅僅關(guān)注設(shè)計(jì)到全生命周期的建模與仿真等逐漸形成了目前的基于數(shù)字化平臺(tái)的集成與優(yōu)化設(shè)計(jì)等過程.高速列車研發(fā)主要實(shí)現(xiàn)了基于計(jì)算機(jī)仿真、虛擬樣機(jī)、設(shè)計(jì)自動(dòng)化和面向需求的設(shè)計(jì)等技術(shù)的綜合運(yùn)用，但同時(shí)也存在著研發(fā)成本的不確定性、與網(wǎng)絡(luò)化等結(jié)合程度不高和以人為中心的考慮不足等問題.未來高速列車的研發(fā)將在數(shù)字化研發(fā)平臺(tái)的基礎(chǔ)上綜合虛擬試驗(yàn)、全壽命周期的數(shù)據(jù)挖掘、成本控制、人機(jī)工效、知識(shí)的管理與重用等技術(shù)，并與移動(dòng)終端等網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)結(jié)合來實(shí)現(xiàn)開放式的研發(fā)設(shè)計(jì).

高速列車;數(shù)字化設(shè)計(jì);研究進(jìn)展;發(fā)展方向

高速列車作為載運(yùn)旅客的重要軌道交通工具之一,是一個(gè)有機(jī)的復(fù)雜巨系統(tǒng)[1],其主要由列車總體、車體、轉(zhuǎn)向架、牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)、環(huán)控(空調(diào)等)等關(guān)鍵部分組成,其中包括120多個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)、4萬多個(gè)零件,涵蓋九大關(guān)鍵技術(shù)和十項(xiàng)重要配套技術(shù)[2].圖1為高速列車系統(tǒng)的組成與分布.

圖1 高速列車系統(tǒng)的組成與分布Fig.1 Composition and distribution of the high-speed train system

系統(tǒng)論是解決復(fù)雜系統(tǒng)的有效方法,采用系統(tǒng)論的觀點(diǎn)可以有效地分析復(fù)雜系統(tǒng)的主要要素以及系統(tǒng)相互之間的關(guān)聯(lián)和影響,同時(shí)抓住系統(tǒng)問題的主要矛盾,從而保證系統(tǒng)的主要功能[3].

高速列車是典型的復(fù)雜系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜,是由不同的具有獨(dú)立功能的系統(tǒng)通過一定組合關(guān)系形成的有機(jī)整體.高速列車主要由承載、走行、供電、牽引、制動(dòng)、空調(diào)、網(wǎng)絡(luò)控制等系統(tǒng)的協(xié)同與組合來實(shí)現(xiàn)安全可靠的載運(yùn),保證旅客乘坐的安全和舒適.

高速列車的運(yùn)行環(huán)境和邊界條件同樣復(fù)雜,由于高速列車的運(yùn)行受到線路和接觸網(wǎng)等固定設(shè)施條件的限制,同時(shí)也受到牽引供電和列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的影響以及空氣擾動(dòng)、阻力及噪音的制約等.因此,高速列車與高速鐵路各子系統(tǒng)之間構(gòu)成相互聯(lián)系、相互依存、相互制約的關(guān)系,如:高速列車與線路之間的輪軌關(guān)系、與接觸網(wǎng)之間弓網(wǎng)關(guān)系、與空氣之間的流固關(guān)系、與供電及牽引傳動(dòng)系統(tǒng)之間的機(jī)電關(guān)系等等,從而組成高速列車耦合大系統(tǒng)[4].圖2為高速列車耦合大系統(tǒng)框架.

隨著高速列車的發(fā)展和廣泛運(yùn)用,復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境及服役的演變以及高速、綠色、環(huán)保、節(jié)能、安全、可靠、生態(tài)、人性、能力保持性等高品質(zhì)的需求,給高速列車的研制帶來更多的挑戰(zhàn),需要尋找更為先進(jìn)的技術(shù)來滿足這些需求和挑戰(zhàn).

圖2 高速列車耦合大系統(tǒng)框架Fig.2 Frame diagram of coupled system of high-speed trains

網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化是未來高速列車的發(fā)展方向,且都以數(shù)字化為基礎(chǔ),從數(shù)字化的角度研究高速列車創(chuàng)新研發(fā)體系,突破其中的關(guān)鍵理論及技術(shù)是高速列車研發(fā)的發(fā)展方向之一.

本文從高速列車設(shè)計(jì)的角度,以系統(tǒng)論的觀點(diǎn)詳細(xì)闡述高速列車在數(shù)字化研發(fā)方面取得的進(jìn)展、存在的問題及面臨的挑戰(zhàn),同時(shí)指出今后的發(fā)展方向.

1 高速列車數(shù)字化研發(fā)的主要科學(xué)問題

高速列車屬于典型的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng),不但功能、結(jié)構(gòu)、性能復(fù)雜,而且運(yùn)行環(huán)境也復(fù)雜,整個(gè)高速鐵路系統(tǒng)是以高速列車為核心的龐大系統(tǒng),運(yùn)行安全是高速鐵路的生命線,如何確保運(yùn)行安全是高速鐵路追求的永恒話題.在高速列車的自主創(chuàng)新研發(fā)過程中,大量科技工作者做出了種種努力,通過引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新,突破了各種研發(fā)上的技術(shù)難題,使得高速列車能夠以350 km/h的速度平穩(wěn)開行.數(shù)字化手段在研發(fā)過程中起到非常重要的作用,其中也存在大量的科學(xué)問題需要解決.

1.1 系統(tǒng)問題

(1) 高速列車耦合大系統(tǒng)建模與仿真問題

高速列車系統(tǒng)復(fù)雜,是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、功能、性能的綜合體,而且高速列車受各種邊界條件和運(yùn)行環(huán)境的約束,約束因素包括輪軌、線路、氣流、信號(hào)、供電,甚至氣候、地理等,這些因素與高速列車耦合在一起,形成高速列車耦合大系統(tǒng)[5],模型如圖3所示.從系統(tǒng)的角度進(jìn)行高速列車數(shù)字化研發(fā)時(shí),如何建立涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域協(xié)同仿真運(yùn)行的耦合大系統(tǒng)的物理模型、數(shù)學(xué)模型和仿真模型是高速列車數(shù)字化最為典型的科學(xué)問題,也是高速列車數(shù)字化設(shè)計(jì)需要解決的核心問題[6].

(2) 高速列車全壽命周期建模與仿真問題

一方面,高速列車安全與能力保持涉及到設(shè)計(jì)、制造、裝配、服役、維修、報(bào)廢等全壽命周期各個(gè)階段,需要進(jìn)行全壽命周期建模與設(shè)計(jì)[7];另一方面,裝備制造產(chǎn)業(yè)的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的價(jià)值鏈逐漸后移,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)向“制造+服務(wù)型”產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,對(duì)全壽命周期各階段的數(shù)據(jù)以及相關(guān)性要求更高,全壽命周期的數(shù)據(jù)挖掘以對(duì)服役安全進(jìn)行分析和評(píng)估將得到重視.全壽命周期數(shù)據(jù)建模與分析、全壽命周期可靠性設(shè)計(jì)理論與方法、全壽命周期大數(shù)據(jù)挖掘與服役安全評(píng)估也是主要科學(xué)問題.

(3) 高速列車數(shù)字化設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化集成問題

設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化集成是復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究的難點(diǎn)與熱點(diǎn),高速列車目前設(shè)計(jì)主要還是采取二維CAD(computer aided design),與全面普及三維CAD還有距離,通用化的三維CAD向?qū)Ｓ没娜SCAD進(jìn)展緩慢;CAE(computer aided engineering)方面,高速列車在強(qiáng)度、動(dòng)力學(xué)、疲勞可靠性、振動(dòng)噪聲等多方面開展的很成功,但是與CAD的集成度不高,導(dǎo)致設(shè)計(jì)往復(fù)和重復(fù)多;優(yōu)化技術(shù)方面,設(shè)計(jì)參數(shù)選定主要還是依靠設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、基于仿真的DOE(design of experiments)和試驗(yàn)等技術(shù),部分采取了優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù),尤其在結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)方面,采用了CAE軟件本身的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù),比如RSM(response surface methodology)、Kriging技術(shù)等.事實(shí)上,高速列車因?yàn)橄到y(tǒng)復(fù)雜,設(shè)計(jì)參數(shù)和制約因素眾多,很難平衡其平穩(wěn)性、安全性和舒適性指標(biāo),大量的試驗(yàn)技術(shù)勢(shì)必導(dǎo)致研制成本增加和周期增長,采用基于數(shù)字化的全優(yōu)化技術(shù),可從整機(jī)性能、局部結(jié)構(gòu)和綜合性能優(yōu)化對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的重要度計(jì)算和選擇、多目標(biāo)優(yōu)化等方面有顯著的指導(dǎo)作用.

圖3 高速列車耦合大系統(tǒng)模型及關(guān)系Fig.3 Model and relationship of coupled system of high-speed trains

(4) 高速列車數(shù)字化平臺(tái)問題

整個(gè)高速列車研發(fā)體系需要延伸到制造和試驗(yàn)部分,PDM(product data management)、SLM(simulation lifecycle management)、TDM(test data management)、ERP(enterprise resource planning)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化平臺(tái)的管理子平臺(tái)和紐帶,打通設(shè)計(jì)、仿真、優(yōu)化、制造、試驗(yàn)等各子系統(tǒng)的接口是數(shù)字化平臺(tái)主要的技術(shù)挑戰(zhàn)[8].

(5) 高速列車大系統(tǒng)優(yōu)化與匹配問題

高速列車作為公用交通工具,不能脫離運(yùn)行環(huán)境,也不能脫離人文環(huán)境,更不能脫離社會(huì)、經(jīng)濟(jì)環(huán)境,這些環(huán)境對(duì)高速列車本身的研制提出了高的要求,在高速列車大系統(tǒng)優(yōu)化中應(yīng)綜合考慮地理、氣候、能源、人文、經(jīng)濟(jì)等定性或定量約束，從而實(shí)現(xiàn)高速列車系統(tǒng)的優(yōu)化與匹配，其中難點(diǎn)是建立綜合約束下的優(yōu)化模型.

1.2 研發(fā)效率問題

高速列車和其他產(chǎn)品一樣,主要追求高品質(zhì)的TQCSE(time, quality, cost, serve, environment),研發(fā)的效率是其中的重要因素,主要涉及到TQC(time, quality, cost).

目前高速列車受不同國家、不同地域、不同文化、不同氣候、不同地理環(huán)境等各種因素的影響,個(gè)性化、多樣化需求越來越復(fù)雜,研制的車型越來越多,但產(chǎn)品的研發(fā)流程還需要改進(jìn),存在的主要問題是已有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)不能得到很好的重用,設(shè)計(jì)流程和規(guī)范沒有得到有效整理,整個(gè)設(shè)計(jì)平臺(tái)剛性有余、柔性不足,如何進(jìn)行基于知識(shí)工程的精細(xì)研發(fā),滿足需求驅(qū)動(dòng)的個(gè)性化、多樣化定制等,是提高研發(fā)效率、設(shè)計(jì)質(zhì)量以及降低設(shè)計(jì)成本面臨的主要問題.

1.3 研發(fā)成本問題

高速列車在追求速度的卓越性上取得了進(jìn)展,但整個(gè)研發(fā)成本的優(yōu)化控制需要引起高度重視,研發(fā)成本的影響因素眾多,涉及到產(chǎn)品的全壽命周期.如:設(shè)計(jì)過程中的設(shè)計(jì)往復(fù),過度設(shè)計(jì),過度依賴經(jīng)驗(yàn)和物理樣機(jī)設(shè)計(jì),對(duì)材料、工藝流程、后期維護(hù)等考慮不周等,都會(huì)導(dǎo)致成本上升.另外,市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)以及對(duì)TQSCE的追求將對(duì)成本造成更為嚴(yán)格的約束,DFX(design for X)的設(shè)計(jì)理念將更為深入的貫穿在整個(gè)產(chǎn)品研發(fā)過程中.研發(fā)成本的科學(xué)問題在于如何建立起基于運(yùn)行環(huán)境、能耗、性能、可靠性等多約束下的高速列車全壽命周期成本優(yōu)化控制模型.

1.4 開放式創(chuàng)新問題

創(chuàng)新是永恒主題,我國高速列車開發(fā)出時(shí)速350 km的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組及系列創(chuàng)新研發(fā)平臺(tái)體系的建立,標(biāo)志著高速列車在技術(shù)領(lǐng)域的全面創(chuàng)新.但高速列車的研制整體還是一個(gè)相對(duì)封閉的領(lǐng)域,主要靠行業(yè)人員的參與,這勢(shì)必束縛了研發(fā)的思路,與現(xiàn)有的開放式創(chuàng)新理念還相差甚遠(yuǎn),導(dǎo)致研發(fā)的思路、創(chuàng)新的方法等得不到延伸和發(fā)散,引入眾創(chuàng)、威客、創(chuàng)客等各種大眾智慧思想,利用現(xiàn)有的移動(dòng)終端平臺(tái)和云服務(wù)體系,進(jìn)行各種奇思妙想的開放式創(chuàng)新設(shè)計(jì),是新一代高速列車的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng),解決當(dāng)前技術(shù)難題的龐大智庫,推動(dòng)我國高速列車的技術(shù)發(fā)展.如何在云計(jì)算、移動(dòng)終端、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)信息技術(shù)支撐下,建立基于“互聯(lián)網(wǎng)+高速列車”創(chuàng)新設(shè)計(jì)體系是高速列車創(chuàng)新面臨的科學(xué)問題,主要科學(xué)問題是基于互聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)協(xié)同設(shè)計(jì)、用戶體驗(yàn)設(shè)計(jì)、云設(shè)計(jì)與服務(wù)等先進(jìn)的理論及方法.

1.5 以人為中心的設(shè)計(jì)問題

人是高速列車作為運(yùn)載工具的主體,人的滿意度是評(píng)價(jià)高速列車好壞的重要標(biāo)準(zhǔn).其滿意度來自于人的生理、心理、感官、情感等諸多方面,如:來自溫度、濕度、壓力等多維綜合舒適性,來自對(duì)外觀環(huán)境和乘車行為感受,來自對(duì)車座椅舒適性體驗(yàn),來自維修人員方便和快捷的感受,來自對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)性的影響等,都會(huì)刺激人對(duì)高速列車的滿意度評(píng)價(jià)[9].以司機(jī)、乘客、維修人員、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員、現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)人員等各個(gè)方面人參與為中心的高速列車設(shè)計(jì)理論及方法,將支撐文明社會(huì)人對(duì)載運(yùn)工具的期望,以人為中心的設(shè)計(jì)，需要考慮不同人群的期望與感受.由于個(gè)體差異和感受存在偶然性與不確定性，其參數(shù)與模型難以描述，則以人為中心的設(shè)計(jì)將會(huì)是未來設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和需要面對(duì)的問題.

2 高速列車數(shù)字化研發(fā)的進(jìn)展

從高速列車引進(jìn)入我國到全面自主創(chuàng)新,經(jīng)過了近10年的歷程,在科技部及原鐵道部的支持下,以企業(yè)為自主創(chuàng)新的主體帶動(dòng)下,整體研制水平得到大大提升,數(shù)字化設(shè)計(jì)方法[10]和數(shù)字化研發(fā)技術(shù)逐漸深入,取得了很大進(jìn)展.

高速列車數(shù)字化研發(fā)技術(shù)主要包括基于計(jì)算機(jī)仿真的設(shè)計(jì)、虛擬樣機(jī)技術(shù)、設(shè)計(jì)自動(dòng)化的技術(shù)和面向需求的設(shè)計(jì)等.研發(fā)技術(shù)是高速列車數(shù)字化研發(fā)的關(guān)鍵,運(yùn)用技術(shù)可以提高研發(fā)效率和改進(jìn)研發(fā)手段.目前高速列車數(shù)字化研發(fā)進(jìn)展集中體現(xiàn)在運(yùn)用數(shù)字化研發(fā)的技術(shù)理念搭建高速列車的研發(fā)平臺(tái),平臺(tái)是數(shù)字化研發(fā)技術(shù)的集中體現(xiàn),也就是說技術(shù)是平臺(tái)搭建的核心,平臺(tái)是技術(shù)運(yùn)用的載體.

2.1 基于計(jì)算機(jī)仿真的設(shè)計(jì)技術(shù)

計(jì)算機(jī)仿真的核心是按照相似性原理,建立物理系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,根據(jù)數(shù)學(xué)模型尋找有效的求解算法進(jìn)行仿真計(jì)算,對(duì)于產(chǎn)品研發(fā),性能是通過動(dòng)態(tài)模擬來保證,動(dòng)態(tài)模擬的核心是仿真[11].基于仿真的設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)是CAE,而有限元法、多體動(dòng)力學(xué)、優(yōu)化方法是CAE的主要體現(xiàn).在高速列車的數(shù)字化研發(fā)中,涉及到整機(jī)及零部件的動(dòng)力學(xué)、疲勞強(qiáng)度及可靠性、振動(dòng)及噪聲、耐久性、碰撞、空氣動(dòng)力學(xué)等[12]分析,這些分析無法用解析的方法進(jìn)行計(jì)算,因此,CAE是必不可少的手段.

一直以來,CAE是高速列車數(shù)字化研發(fā)最主要也是最成功的手段.在高速列車研發(fā)中包括西南交通大學(xué)、北京交通大學(xué)、大連交通大學(xué)、中南大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等鐵路專業(yè)相關(guān)院校及鐵科院均承擔(dān)了大量的有關(guān)CAE的分析任務(wù),主要借助于ANSYS、ABAQUS、FATIGUE、LMS、SYSNOISE、NCODE、NASTRAN等各種分析軟件[13],同時(shí)結(jié)合相關(guān)的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證研究,有力地支撐了高速列車的研發(fā);在高速列車動(dòng)力學(xué)方面[14],以西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為主要研究單位,結(jié)合已有的整車滾振試驗(yàn)臺(tái),通過自主開發(fā)TPLDYNA、TPLTRAIN、TTRI等軟件,以及商業(yè)軟件SIMPACK,ADAMS/RAIL、UM、NUCARS等進(jìn)行研究[15],并逐步發(fā)展到自主研發(fā)高速列車耦合大系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件[16],將高速列車與輪軌、線路、弓網(wǎng)等耦合[17-18]一起進(jìn)行協(xié)同仿真及計(jì)算[11].具體耦合計(jì)算軟件如圖4所示.

圖4 高速列車耦合大系統(tǒng)仿真計(jì)算軟件Fig.4 Simulation software for coupled system of high-speed trains

近年來,以企業(yè)為創(chuàng)新主體的研發(fā)模式得到有效地?cái)U(kuò)展,包括中車旗下的長客股份、唐山客車、四方股份、浦鎮(zhèn)客車等都建立了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室和仿真中心,吸收并逐步掌握了相關(guān)的CAE技術(shù),基于仿真的設(shè)計(jì)技術(shù)得到有效地普及.

在系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)方面,多目標(biāo)優(yōu)化[19,20]已經(jīng)在逐步嘗試進(jìn)行研究,尤其在轉(zhuǎn)向架、車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面,已有采用代理模型方法和結(jié)合優(yōu)化Isight、Optimus等軟件,研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)性能的靈敏度以及進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化[21-23].

動(dòng)力學(xué)參數(shù)優(yōu)化方面也取得一些進(jìn)步[24],有研究者利用基于仿真設(shè)計(jì)的DOE,基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立代理模型，運(yùn)用智能優(yōu)化算法對(duì)高速列車整機(jī)性能參數(shù)進(jìn)行全局優(yōu)化[25-27],并在具體某車型的參數(shù)優(yōu)化上得到更優(yōu)解,實(shí)現(xiàn)了基于仿真和試驗(yàn)的設(shè)計(jì)閉環(huán),減少了物理試驗(yàn)次數(shù)和經(jīng)驗(yàn)判斷等,并能有效地找到性能設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)的敏感程度,幫助系統(tǒng)辨識(shí)和發(fā)現(xiàn)主要問題所在和優(yōu)化相關(guān)參數(shù)[28-30].

2.2 虛擬樣機(jī)技術(shù)

以仿真的設(shè)計(jì)技術(shù)為基礎(chǔ)可以發(fā)展到虛擬樣機(jī)技術(shù),虛擬樣機(jī)是一種先進(jìn)的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法,其既體現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì),也體現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品的無風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)字化試驗(yàn),特別適合產(chǎn)品試制成本高的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的研制.

國內(nèi)鐵路機(jī)車車輛虛擬樣機(jī)技術(shù)近幾年才引起相關(guān)部門和單位重視.在研究群體上,由于鐵路系統(tǒng)的專業(yè)特點(diǎn),大多數(shù)研究集中在鐵路院校.清華大學(xué)、大連鐵道學(xué)院等高校曾經(jīng)進(jìn)行過863計(jì)劃項(xiàng)目“鐵路機(jī)車車輛虛擬樣機(jī)”的研究.該項(xiàng)目主要以大型軟件,如PRO-E的PDM工具為集成主線,結(jié)合國外成熟的商業(yè)化建模、分析、計(jì)算軟件,如:PRO-E、ADAMS、MATLAB、ANSYS等進(jìn)行機(jī)車車輛模型樣機(jī)的分析;西南交通大學(xué)數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造團(tuán)隊(duì)在高速列車虛擬樣機(jī)技術(shù)研究方面做了大量的研究工作[31-38],首先在通用化的三維CAD環(huán)境中,借助于Pro-E、CATIA CAA等二次開發(fā)工具,基于計(jì)算機(jī)輔助的方式研發(fā)專用化的CAD系統(tǒng),建立數(shù)字樣機(jī)模型[32],然后在CAD環(huán)境中進(jìn)行相關(guān)CAE信息的抽取[35],通過CAD環(huán)境中的多分析視圖映射,實(shí)現(xiàn)CAD/CAE的有效集成[36-37],進(jìn)行基于仿真的分析,完成對(duì)各個(gè)領(lǐng)域分析性能的無風(fēng)險(xiǎn)試驗(yàn)[10].

高速列車虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用框圖如圖5所示.

圖5 高速列車虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用框圖Fig.5 Application block diagram of virtual prototype technology for high-speed trains

2.3 設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)

設(shè)計(jì)自動(dòng)化的基礎(chǔ)是參數(shù)化設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì)參數(shù)提取)[35]、設(shè)計(jì)分析集成[36-37]、CAE技術(shù)和優(yōu)化技術(shù).結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化[21-23]方面相對(duì)成熟,通過選擇參數(shù)化模型的相關(guān)優(yōu)化參數(shù),進(jìn)而進(jìn)行DOE仿真試驗(yàn)采樣,然后利用商業(yè)軟件自身的代理模型響應(yīng)面法RSM進(jìn)行優(yōu)化模型的建立和參數(shù)優(yōu)化,獲得結(jié)果返回CAD系統(tǒng)進(jìn)行模型修改;在多領(lǐng)域協(xié)同仿真的整機(jī)動(dòng)力學(xué)性能設(shè)計(jì)自動(dòng)化方面,西南交通大學(xué)先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究所的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造團(tuán)隊(duì)開展了大量的開創(chuàng)性工作.

首先基于三維數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行整機(jī)性能的信息如拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、空間矩陣等提取,然后重建成整機(jī)動(dòng)力學(xué)物理模型[32-35].自動(dòng)輸入到動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件如SIMPACK或者自主研制的高速列車耦合大系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行DOE試驗(yàn),獲得采樣數(shù)據(jù),通過研究合適的代理模型比如BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來近似代替精確仿真模型進(jìn)行后續(xù)智能優(yōu)化工作,從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程自動(dòng)化及閉環(huán)[33].該技術(shù)通過正交試驗(yàn)、拉丁超立方等試驗(yàn)方法獲得來自精確仿真計(jì)算模型獲得的樣本,在代理模型上雖然損失了部分精度,但該精度在可控范圍之內(nèi),智能優(yōu)化得到的滿意解可以方便找到設(shè)計(jì)參數(shù)的最小設(shè)計(jì)域,并再次通過精準(zhǔn)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證,最后得到優(yōu)化結(jié)果.

針對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)眾多,采用了設(shè)計(jì)空間探索、專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)篩選和靈敏度分析的方式來縮小設(shè)計(jì)空間,針對(duì)高速列車大系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)耦合系統(tǒng)的多領(lǐng)域協(xié)同仿真,采用了多向耦合仿真的方法實(shí)現(xiàn)[5].

圖6為高速列車設(shè)計(jì)自動(dòng)化流程及結(jié)果.

2.4 面向需求的設(shè)計(jì)

任何機(jī)電產(chǎn)品都會(huì)經(jīng)過需求分析、概念設(shè)計(jì)、總體設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、物理樣機(jī)制造、試驗(yàn)等多個(gè)環(huán)節(jié),基于仿真的設(shè)計(jì)方法有效地減少了設(shè)計(jì)過程中的缺陷,減少了設(shè)計(jì)往復(fù)和物理樣機(jī)修改和試驗(yàn)的次數(shù),從而提高了效率及降低了成本.

圖6 高速列車設(shè)計(jì)自動(dòng)化流程Fig.6 Flow chart of design automation for high-speed trains

整個(gè)設(shè)計(jì)過程中如何進(jìn)行需求分解、總指標(biāo)及任務(wù)分解、方案的確定、細(xì)化的設(shè)計(jì)如何組織和協(xié)調(diào)、參數(shù)設(shè)計(jì)矛盾和協(xié)同如何得到解決等,可以在整個(gè)設(shè)計(jì)流程中得到有效地解答[39].

自頂向下(top-to-down)及自底向上(bottom-up)是兩大主流設(shè)計(jì)方法,如何將數(shù)字化方法與這兩種方法融合,將有力促進(jìn)高速列車的創(chuàng)新研發(fā).

各大主機(jī)廠都有自己的研發(fā)流程和體系,暫時(shí)能夠應(yīng)對(duì)目前的產(chǎn)品譜系,但顯然存在數(shù)字化程度不高、團(tuán)隊(duì)龐大且技術(shù)人員成長緩慢、知識(shí)共享程度不高、對(duì)知識(shí)的積累及繼承性較差、可調(diào)整性差等諸多問題,這勢(shì)必受到目前復(fù)雜多變的個(gè)性化、多樣化市場(chǎng)需求的強(qiáng)烈沖擊.針對(duì)這些問題,我國啟動(dòng)了高速列車面向需求的高速列車譜系化863項(xiàng)目,取得了重要的進(jìn)展.通過將整個(gè)高速列車研發(fā)進(jìn)行了基于需求元模型、產(chǎn)品元模型和過程元模型的抽象建模,實(shí)現(xiàn)了初步的基于知識(shí)工程的產(chǎn)品研發(fā)流程計(jì)算機(jī)映射,通過需求驅(qū)動(dòng)、指標(biāo)分解和映射逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品元模型的參數(shù)確定,再將整個(gè)產(chǎn)品研發(fā)流程規(guī)范在以過程元為單元的流程組織中,研究各元模型之間的接口和協(xié)同,逐步細(xì)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié).在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中,采用基于實(shí)例的配置設(shè)計(jì)方法,基于參數(shù)化的變型設(shè)計(jì)方法,以及基于元模型的模塊化設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)了整個(gè)高速列車基于個(gè)性化、多樣化的快速定制[40].

2.5 數(shù)字化研發(fā)平臺(tái)

數(shù)字化研發(fā)平臺(tái)是整個(gè)高速列車數(shù)字化解決方案的基礎(chǔ),也是各數(shù)字化技術(shù)的綜合體現(xiàn),各個(gè)主機(jī)企業(yè)和科研院所都非常重視.經(jīng)過高速列車研發(fā)的探索和發(fā)展,我國陸續(xù)在各主機(jī)廠建立了大量的軟硬件研發(fā)平臺(tái),包括:各個(gè)工程試驗(yàn)中心,數(shù)字化研發(fā)系統(tǒng),國家工程實(shí)驗(yàn)室等.國內(nèi)各大主機(jī)企業(yè)都建立了各自相應(yīng)的數(shù)字化研發(fā)平臺(tái),并有相應(yīng)的信息部門進(jìn)行支撐,如:唐山客車?yán)冒彩纴喬膮f(xié)同仿真平臺(tái)Peral,基于Pro-E和Windchill建立了相應(yīng)的數(shù)字化研發(fā)體系,浦鎮(zhèn)客車全面采用達(dá)索系列產(chǎn)品建立相應(yīng)的數(shù)字化平臺(tái),長春軌道客車股份有限公司采用達(dá)索的ENOVIA進(jìn)行平臺(tái)整合,四方股份采用TeamCenter進(jìn)行PDM管理等.數(shù)字化研發(fā)平臺(tái)最重要的環(huán)節(jié)是打通各領(lǐng)域軟件之間的接口實(shí)現(xiàn)一體化,尤其是設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化、管理、工藝、試驗(yàn)的集成管理.

西南交通大學(xué)新建的軌道交通國家實(shí)驗(yàn)室(籌)搭建了一個(gè)先進(jìn)的適用于高速列車數(shù)字化研發(fā)的數(shù)字化平臺(tái)[41],該平臺(tái)充分調(diào)研了國內(nèi)外主流的數(shù)字化解決方案,包括:達(dá)索、西門子、安世亞太、Pro-E,相關(guān)的硬件系統(tǒng)包括:HP、IBM等,選擇了在底層能夠有效數(shù)據(jù)傳遞的達(dá)索系列軟件CATIA、SIMULIA、ABUQUS、DELMIA、VIRTUAL以及LMS(現(xiàn)西門子產(chǎn)品)的VIRTUALLAB、AMESIM、OPTIMUS等進(jìn)行有效集成.再結(jié)合其他外部軟件,如:ANSYS、SIMPACK、MATLAB、ADINA、FLUENT等進(jìn)行接口,實(shí)現(xiàn)整個(gè)高速列車數(shù)字化解決方案,如圖7所示.

圖7中,該平臺(tái)在底層都采用CAA開發(fā)的基礎(chǔ)模型,使得CAD及CAE可以無縫交換數(shù)據(jù),不丟失設(shè)計(jì)信息;同時(shí)借助于CATIA的CAA二次開發(fā)功能,可以方便地實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的高速列車專業(yè)化參數(shù)化設(shè)計(jì),定制高速列車虛擬樣機(jī);除此之外,該平臺(tái)能夠與現(xiàn)有的試驗(yàn)系統(tǒng)有效結(jié)合,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)PDM、仿真數(shù)據(jù)SLM、試驗(yàn)數(shù)據(jù)TDM的有效管理,實(shí)現(xiàn)高速列車數(shù)據(jù)全壽命周期的一體化管理.

針對(duì)高速列車多樣化與個(gè)性化需求,目前高速列車主機(jī)廠與高校合作,搭建了一個(gè)高速列車設(shè)計(jì)制造一體化平臺(tái).該平臺(tái)將整個(gè)設(shè)計(jì)制造平臺(tái)歸結(jié)為:參數(shù)化需求管理,快速設(shè)計(jì),參數(shù)化協(xié)同仿真,虛擬樣機(jī)可視化,虛擬仿真裝配交互,快速工藝文件生成,試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù),快速質(zhì)量文件生成等8個(gè)子系統(tǒng),形成了適應(yīng)個(gè)性化、多樣化需求驅(qū)動(dòng)的高速列車數(shù)字化樣機(jī)生產(chǎn)平臺(tái),并進(jìn)行了高寒車和城際列車的研制.長春軌道客車股份有限公司、青島四方機(jī)車車輛股份有限公司、西南交通大學(xué)、北京交通大學(xué)作為主要成員單位研制了該項(xiàng)目,已經(jīng)搭建起了相應(yīng)的數(shù)字化平臺(tái)[42].

圖8為基于需求的高速列車車體快速設(shè)計(jì)定制界面.

圖8充分體現(xiàn)了自頂向下以及自底向上的設(shè)計(jì)理念,符合企業(yè)正在推行的精細(xì)化研發(fā)工程,有效地厘清了研發(fā)過程中存在的諸多問題,能夠快速響應(yīng)多變的市場(chǎng).

圖7 高速列車數(shù)字化仿真平臺(tái)解決方案Fig.7 Solution for digital simulation platform of high-speed trains

此外,在高速列車工業(yè)設(shè)計(jì)、以人為中心的綜合舒適度、人機(jī)工效等方面的研究也取得不同程度的進(jìn)展.如:基于仿生學(xué)的工業(yè)設(shè)計(jì),面向美學(xué)與氣動(dòng)特性結(jié)合的列車頭型設(shè)計(jì),面向虛擬裝配的設(shè)計(jì)等,尤其在軌道交通國家實(shí)驗(yàn)室(籌),基于多場(chǎng)感受的綜合舒適度試驗(yàn)平臺(tái)的建立,能夠研究溫度、濕度、壓力、燈光、噪聲、振動(dòng)等物理指標(biāo)與綜合舒適度的影響關(guān)系.

圖9為基于需求的構(gòu)架虛擬裝配仿真與人機(jī)工效檢驗(yàn).所有這些研究進(jìn)展,使得過去很少應(yīng)用的設(shè)計(jì)方法及理念能夠在高速列車數(shù)字化研發(fā)中得以體現(xiàn),大大提升了高速列車的品質(zhì).

(a) 設(shè)計(jì)系統(tǒng)

(b) 定制界面圖8 基于需求的高速列車車體快速設(shè)計(jì)定制界面Fig.8 Custom interface for rapid design of high-speed train body based on requirements

圖9 基于需求的構(gòu)架虛擬裝配仿真與人機(jī)工效檢驗(yàn)Fig.9 Virtual assembly simulation and ergonomics test based on the requirements of the frame

3 高速列車數(shù)字化研發(fā)面臨的挑戰(zhàn)及展望

3.1 大系統(tǒng)環(huán)境約束設(shè)計(jì)

高速列車在高速運(yùn)行下,與其運(yùn)行環(huán)境的耦合作用加劇,在設(shè)計(jì)時(shí)必然考慮高速列車在多學(xué)科、多尺度、多粒度描述下的大系統(tǒng)環(huán)境,前述研究雖然建立了高速列車耦合大系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,但各領(lǐng)域深入的仿真模型還需要發(fā)展,輪軌、線路、弓網(wǎng)、流固、供電各領(lǐng)域子系統(tǒng)之間的參數(shù)影響和匹配機(jī)理還需要繼續(xù)深入研究.基于大系統(tǒng)仿真的優(yōu)化設(shè)計(jì)是其研究方向,總體設(shè)計(jì)指標(biāo)的智能分解與聚合、耦合大系統(tǒng)多領(lǐng)域建模及仿真、大系統(tǒng)優(yōu)化、大規(guī)模協(xié)同計(jì)算、多粒度積分算法協(xié)同、多粒度數(shù)據(jù)完整性、模型有效性數(shù)據(jù)驗(yàn)證等是主要的技術(shù)挑戰(zhàn).

3.2 多因素環(huán)境約束的設(shè)計(jì)

高速列車作為常用的交通工具,將越來越廣泛地應(yīng)用,但需求也變得越來越多樣化、個(gè)性化和復(fù)雜化,從過去大量關(guān)注安全性、平穩(wěn)性、舒適性等性能域逐漸擴(kuò)展到關(guān)注對(duì)環(huán)境、人文、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等的影響[43],設(shè)計(jì)需求也逐漸從明確的定量化拓展到不確定性描述,如:設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)人的生理、心理感受,對(duì)環(huán)境的友好程度,對(duì)各種人群的適應(yīng)程度,對(duì)能耗、成本的控制等等,不確定性多因素約束下的系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)是其發(fā)展方向.多因素環(huán)境約束的設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)需求的不確定性,設(shè)計(jì)考慮目標(biāo)也越來越復(fù)雜,與數(shù)字化研發(fā)結(jié)合的難點(diǎn)就是需求與參數(shù)的對(duì)應(yīng)與分解.由于設(shè)計(jì)目標(biāo)更多,且目標(biāo)也更難以定量描述,則如何建立起復(fù)雜邊界條件下多目標(biāo)的分析模型及優(yōu)化模型是一個(gè)主要的技術(shù)挑戰(zhàn).

3.3 全壽命周期設(shè)計(jì)

高速列車全壽命周期數(shù)據(jù)管理已經(jīng)得到高度重視,對(duì)這些數(shù)據(jù)的挖掘可以發(fā)現(xiàn)與高速列車設(shè)計(jì)改進(jìn)相關(guān)的要素,以提升高速列車的品質(zhì)[44].面向成本、維修、裝配、工藝等的DFX技術(shù)是全壽命周期設(shè)計(jì)中必不可少的環(huán)節(jié),基于全壽命周期成本LCC(life cycle cost)、基于RAMS(reliability, availability, maintainability, supportability)的全壽命周期可靠性設(shè)計(jì)、基于全壽命周期大數(shù)據(jù)挖掘的設(shè)計(jì)分析、預(yù)測(cè)與評(píng)估將是其發(fā)展方向,將面臨全壽命周期履歷數(shù)據(jù)建模及其中的設(shè)計(jì)、工藝、仿真、服役、維護(hù)數(shù)據(jù)一體化以及與靜態(tài)建模數(shù)據(jù)的時(shí)空同步性等技術(shù)挑戰(zhàn).

3.4 以人為中心的設(shè)計(jì)

高速列車是人與裝備友好的典型代表,人將作為設(shè)計(jì)中需要考慮的重要因素,以人為中心的設(shè)計(jì)必將是其發(fā)展方向,但必須對(duì)人的生理、心理、運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)、行為等進(jìn)行深度認(rèn)知才能滿足這一要求[45],如:基于人體坐姿舒適的座椅設(shè)計(jì),考慮聲、光、電、視覺、壓力、振動(dòng)、溫度、濕度等多場(chǎng)耦合對(duì)人生理、心理反應(yīng)接受能力的舒適性設(shè)計(jì),基于人乘坐感覺的體驗(yàn)設(shè)計(jì)等,面向兒童、孕婦、殘疾、肥胖、高個(gè)等多樣人群的適應(yīng)性設(shè)計(jì),面向逃生、救援、快速排障等的安全性設(shè)計(jì)等等都充分體現(xiàn)了人的中心作用[46-47].以人為中心的設(shè)計(jì)在數(shù)字化研發(fā)中的主要體現(xiàn)在人機(jī)工效方面,如何準(zhǔn)確建立多場(chǎng)合耦合下,人感受的定量描述與高速列車參數(shù)(或結(jié)構(gòu))的耦合模型是一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn).

3.5 云設(shè)計(jì)

隨著信息技術(shù)在裝備制造業(yè)中的深度融合,互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、先進(jìn)媒體、移動(dòng)終端、云計(jì)算、4G通信等信息技術(shù)將交叉到產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域,這將改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、模式，甚至產(chǎn)品價(jià)值鏈和產(chǎn)業(yè)鏈等,沒有邊界、人群、辦公場(chǎng)景限制的眾創(chuàng)設(shè)計(jì)將在未來逐步發(fā)展,通過智能手機(jī)等移動(dòng)終端,可以進(jìn)行無處不在的設(shè)計(jì),而云計(jì)算、云存儲(chǔ)、云服務(wù)、移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)是其實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ),云設(shè)計(jì)[48]符合工業(yè)4.0和我國制造2025年的發(fā)展規(guī)劃,這將對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、模式,甚至產(chǎn)品價(jià)值鏈和產(chǎn)業(yè)鏈等發(fā)生變化.如何在新的信息技術(shù)架構(gòu)下運(yùn)用軟件和信息環(huán)境構(gòu)建設(shè)計(jì)平臺(tái)是一個(gè)新的技術(shù)挑戰(zhàn),如:基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的高速列車及其零部件協(xié)同體驗(yàn)設(shè)計(jì),瘦身的移動(dòng)終端CAD技術(shù),基于云計(jì)算的設(shè)計(jì)服務(wù)技術(shù)等都是其研究內(nèi)容.

3.6 基于知識(shí)工程的設(shè)計(jì)

在整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中,離不開設(shè)計(jì)知識(shí)的積累、共享和重用[49].類似高速列車的復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品,其最為不確定的問題在于設(shè)計(jì)需求復(fù)雜.而設(shè)計(jì)指標(biāo)高度概括、設(shè)計(jì)空間巨大、設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜、參數(shù)很難分解和聚合等問題,將導(dǎo)致設(shè)計(jì)過程變得非常復(fù)雜.因此，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)變得尤為重要，如何正確地組織設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，使得設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)變得可重構(gòu)、可配置、可定制是高速列車適應(yīng)個(gè)性化、多樣化需求所需要解決的問題，這也是復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)的發(fā)展方向.

3.7 全數(shù)字化虛擬樣機(jī)及虛擬試驗(yàn)

為了降低研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和成本,提高研發(fā)效率,快速響應(yīng)市場(chǎng),基于全數(shù)字化的虛擬樣機(jī)也是數(shù)字化設(shè)計(jì)的發(fā)展方向.通過需求驅(qū)動(dòng)的全數(shù)字化產(chǎn)品MBD定義,到整個(gè)設(shè)計(jì)過程的指標(biāo)驅(qū)動(dòng)映射、三維CAD定制開發(fā)設(shè)計(jì)、多領(lǐng)域CAE協(xié)同仿真及優(yōu)化,再到基于三維工藝的虛擬制造,產(chǎn)生出全數(shù)字評(píng)價(jià)的虛擬樣機(jī).然后建立整個(gè)高速列車全數(shù)字化模擬環(huán)境,進(jìn)行整機(jī)性能模擬試驗(yàn),使得臺(tái)架試驗(yàn)、型式試驗(yàn)都能在計(jì)算機(jī)中先期開展,減少物理樣機(jī)和物理試驗(yàn)的次數(shù),實(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)品的無紙化數(shù)字研發(fā).技術(shù)挑戰(zhàn)在于設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化集成以及設(shè)計(jì)過程、制造過程、試驗(yàn)過程的全數(shù)字化映射、建模和模擬.

4 結(jié) 論

數(shù)字化研發(fā)手段為高速列車帶來了研發(fā)理論、技術(shù)、手段和工具上的革新,TQCSE及高速列車本身的高品質(zhì)追求使得高速列車的數(shù)字化研發(fā)向更復(fù)雜、更不確定約束的大系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、全壽命周期設(shè)計(jì)成本及可靠性設(shè)計(jì)、基于知識(shí)工程的精細(xì)定制設(shè)計(jì)、以人為中心的設(shè)計(jì)、全數(shù)字化虛擬樣機(jī)以及開放式創(chuàng)新設(shè)計(jì)等方向發(fā)展.將來的高速列車將會(huì)更加安全、舒適、平穩(wěn),更加綠色、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能,更加智能化,甚至智慧化,更加人性化.隨著我國高速鐵路“走出去”戰(zhàn)略的開展,高速鐵路成套技術(shù)正向國外輸出,高速列車的設(shè)計(jì)理論及技術(shù)將日趨完善及成熟.

致謝:軌道交通國家實(shí)驗(yàn)室(籌)和牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在數(shù)字化設(shè)計(jì)領(lǐng)域的支持;西南交通大學(xué)先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究所的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造團(tuán)隊(duì)對(duì)數(shù)字化領(lǐng)域做的貢獻(xiàn);參考文獻(xiàn)中其他作者的工作.

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丁國富(1972—),博士,2002年起至今任職于西南交通大學(xué),現(xiàn)為機(jī)械工程學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師,制造工程系主任,四川省學(xué)術(shù)帶頭人,四川省有突出貢獻(xiàn)專家,教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才.主要研究方向?yàn)閺?fù)雜機(jī)電產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造、虛擬樣機(jī)技術(shù).先后主持國家自然基金面上項(xiàng)目2項(xiàng),國家支撐計(jì)劃、國家863、國家04專項(xiàng)以及省部級(jí)等重大項(xiàng)目10多項(xiàng),發(fā)表學(xué)術(shù)論文140多篇,發(fā)表SCI檢索論文10多篇,授權(quán)發(fā)明專利10項(xiàng),獲軟件著作權(quán)20多項(xiàng).獲得國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)(排名第15),四川省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)(排名第1),中國鐵道學(xué)會(huì)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)(排名第5),成都市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)(排名第1).系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)編委,成都市機(jī)械工程學(xué)會(huì)副理事長等多個(gè)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)兼職.

E-mail: dingguofu@swjtu.edu.cn

姜杰(1988—),博士研究生,2011年至今在機(jī)械工程學(xué)院直接攻讀博士學(xué)位.主要研究方向?yàn)閺?fù)雜機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)與參數(shù)靈敏度分析、多學(xué)科優(yōu)化.主研國家自然基金面上項(xiàng)目1項(xiàng),國家863重點(diǎn)項(xiàng)目2項(xiàng),參研國家863重點(diǎn)項(xiàng)目1項(xiàng).發(fā)表學(xué)術(shù)論文5篇,SCI檢索1篇,獲軟件著作權(quán)4項(xiàng),獲得機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽四川省二等獎(jiǎng)1項(xiàng).

E-mail: jj13688158635@126.com

(中文編輯:秦 瑜 英文編輯:蘭俊思)

Development and Challenge of Digital Design of High-Speed Trains in China

DINGGuofu1,2,JIANGJie1,ZHANGHaizhu1,MAXiaojie1,LIRong1,ZOUYisheng1,ZHANGJian1

(1. Institute of Advanced Design and Manufacturing, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The digital research of high-speed trains is an important means to help break through the key theories and technologies, and also a means to adapt to the rapid customization of personalized and diversified demands. Digitalization-based network, information and intelligence are the future direction of development of high-speed trains. Along with the switch from technology introduction to comprehensive independent innovations, the R & D of high-speed trains in China transit from the digital design and simulation in a single subject to the direction of coupled system simulation; and design of high-speed trains transits from a pure product design to the modeling and simulation of trains in the whole life cycle, an integrated and optimized design process based on a digital platform. This process is mainly realized by comprehensive use of computer simulation, virtual prototype, design automation, and demand-oriented design technologies. However, there also exist problems such as cost uncertainty, insufficient network integration, and lack of human-centered care. The future R & D of high-speed trains will be accomplished on a digital platform based on integrated virtual experiment, whole life cycle of data mining, cost control, ergonomics, knowledge management and reuse technology, etc., which will be further combined with network technologies such as mobile terminals, to realize an open R & D.

high-speed trains; digital design; research progress; development direction

2015-10-26

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51575461,51305367)

丁國富,姜杰,張海柱,等. 我國高速列車數(shù)字化研發(fā)的進(jìn)展及挑戰(zhàn)[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2016,51(2): 251-263.

0258-2724(2016)02-0251-13

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.02.005

U238

A