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行业解决方案

铁路行业解决方案

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前言

      铁路是国民经济大动脉、关键基础设施和重大民生工程,是综合交通运输体系的骨干和主要交通方式之一,在我国经济社会发展中的地位和作用至关重要。

       而自2008年8月1日中国京津城际高铁开通之后,中国高铁进入"收获期",近两年来有100多个国家元首、政要和代表团考察中国高速铁路,50多个国家和地区对希中国的高铁技术给予了厚望,包括美国、巴西、俄罗斯、白俄罗斯、阿联酋、泰国等在内的多个国家先后与中国签订了高铁建设合作意向,未来10年海外高铁市场可达3万亿。同时,随着“中国制造2025”战略目标的提出和“一带一路”战略实施的落地,高铁作为中国制造出口海外的两张王牌之一,带动中国制造业转型升级的“标杆”作用愈发显著。因此,如何快速拿出干大事的魄力和动作,缩短与老牌铁路强国在诸多方面的差距,尤其在设计理念方面的差距,是中国铁路发展的当务之急。


开展正向设计研发的必由之路

       围绕着实现中国制造强国的战略目标,中国政府提出了第一个十年的行动纲领,即“中国制造2025”,该战略计划可归纳为一个核心关键、三大突出特点、五大工程、十大重点领域。其中一个核心关键就是创新驱动的正向研发流程升级,而轨道交通也是十大重点领域之一;同时,铁路轨道交通作为带动中国制造业转型升级的“标杆”行业,必须起到其应有的带头作用,也是铁路行业发展的当务之急。

       因此,大力发展铁路轨道交通行业的创新的正向研发设计工作,是中国轨道交通行业发展的必由之路。


铁路行业设计研发现状及需求

        2004年,《国家中长期铁路网规划》确定了“引进先进技术,联合设计生产,打造中国品牌”的总方针,也由此开启了中国铁路技术引进、消化吸收和再创新发展之路。

        一般情况下,机车车辆产品研发周期一般分为:需求分析→概念设计→初步设计→详细设计→试制与验证等五个研发阶段,以及加上后期的线路运行及正常维护,其共同构建了机车车辆产品的生命周期。



       在铁路技术引进的初期,为了快速形成产品,推动我国铁路行业的快速发展,产品主要采用“全盘引进”的逆向设计流程进行设计,即通过直接引用引进图纸和三维测绘的方法进行产品设计,大大弱化前三个研发阶段工作,直接进入详细设计和试验验证阶段,有效了缩短研发周期。但是,逆向设计流程是“知其然不知其所以然“,有产品但没有性能Know-How知识,因此,设计中不敢对产品进行改型,而且无法积累产品研发性能知识,也无法进行自主创新设计。

        因此,在对铁路引进产品消化吸收的过程中,开始采用正向设计研发流程进行设计,逐步开始重视需求分析、概念设计及初步设计等三个阶段在研发流程中的作用。

       但是,目前我国铁路产品的正向设计流程还是以传统的串行设计为主,忽视了不相邻设计环节之间的交流和协调,各部门对产品开发整体过程缺乏综合考虑,形成以部门利益为重而不考虑全局最优化的“抛墙式”工作环境,造成局部最优而非全局最优;而且上下游矛盾与冲突不能及时得到调解,造成研发时间过长,研发成本较高。

       目前,国际上创新的正向设计是以并行工程为主,即在产品的需求分析、概念设计、及详细设计中,提前考虑了设计、制造、装配、测试、销售以及运营维护等一系列问题,其可避免在设计后期、生产过程中及运营维护中发现设计缺陷,可有效提高研发效率、降低研发及后期维护中的费用。

       因此,在“中国制造2025”战略目标下,作为带动中国制造业转型升级的“标杆”行业,铁路行业产品设计必须开展以并行研发工程为主的正向设计研发流程为主的设计,才可起到应有带头作用。



铁路行业正向设计研发关键问题

       如前所述,铁路行业正向设计流程一般包括:需求分析阶段、概念设计阶段、初步设计阶段、详细设计阶段及试制与验证阶段等五个研发阶段,加上后期的线路运行及正常维护,共同构建了机车车辆产品的生命周期,而每个阶段的关键问题如下:


需求分析阶段关键问题

       需求分析阶段的任务是对用户的需求进行收集和分析,并将需求指标进行量化处理,铁路行业正向设计需求分析阶段的关键问题如下:

  • 如何对用户(标书)的需求进行收集,并对性能指标进行分解;
  • ​指标分解的准确性和合理性是否有保证,在缺乏准确的性能模型和测试数据情况下如何来进行准确评估;
  • 如何逐步建立铁路行业产品的需求和指标库。

概念设计阶段关键问题

       概念设计阶段的目标是对设计方案进行快构建,以及对方案的性能进行快速评估,并选出最优的设计方案,铁路行业正向设计概念分析阶段的关键问题如下:

  • 如何快速对需求分析指标给出响应,快速形成设计方案;
  • 铁路行业是一个涉及多学科、多分析的行业,如何在概念设计阶段进行性能评估,包括曲线通过性能、限界通过性能、牵引性能、制动性能、重量管理性能、结构强度性能及动力学性能等分析;
  • 如何快速对设计方案进行优化,并快速形成最优设计方案,占得时间(投标)先机;
  •  以往设计中,铁路行业的概念模型多是以二维图纸展示,怎样快速进行三维模型展示。


初步设计阶段关键问题

      初步设计阶段是基于已有的概念设计方案进行细化设计,包括对主体结构设计、大部件结构设计、虚拟样机性能分析等,并根据分析结果对设计方案进行优化,铁路行业正向设计初步设计阶段的关键问题如下:

  • 随着三维建模技术在铁路行业的应用,以及参数化和模块化建模技术的发展,怎样对铁路产品进行参数化和模块化CAD建模设计,并形成参数化CAD模型库;
  • 怎样基于参数化CAD模型库快速对铁路产品主体结构和大部件结构进行设计;
  • CAE建模工作占整个仿真分析工作量的70%~80%,怎样进行参数化CAE模型建模,并形成参数化CAE模型库,提高CAE模型建模效率;
  • 怎样快速对铁路产品主体结构和大部件结构进行CAE仿真性能分析,并保证仿真分析结果的精度和效率;
  • 怎样充分挖掘试验数据结果作用,对CAE仿真模型开展V&V(验证和确认)工作,并进行仿真模型Updating(模型修正)工作;
  • 怎样对仿真分析数据进行有效管理,并形成仿真分析流程和规范,提高仿真分析结果的精度和效率。


详细设计阶段关键问题

       详细设计阶段是根据完善后的初步设计结果,对产品进行工程化设计,包括进行工程图设计、工艺图设计、工装设计、内装设计、美工设计、生产准备等,铁路行业正向设计详细设计阶段的关键问题如下:

  • 怎样开展设计与制造一体化工作,如何在详细设计阶段检查设计的可制造性(DFM)、可装配性(DFA)、可检测性(DFT)、可维护性(DFMa)、可靠性(DFR)以及加工成本(DFC)问题,避免生产中的返工现象;
  • 怎样将DFX工具与PDM系统集成;
  • 怎样与MBD集成,开展三维CAPP工作;
  • 怎样与MBD集成三维工艺设计能力,形成三维下厂。


试制与验证阶段关键问题

       试制与验证阶段,是由生产部门完成样机制造,并由设计部门、仿真部门、试验部门及其它运营部门联合起来对样机进行各种相关试验,包括台架试验、调试试验、线路试验等,完成产品的性能验证工作。铁路行业正向设计试制与验证阶段的关键问题如下:

  • 怎样利用已有生产加工知识库、虚拟仿真等先进技术,快速、准确完成生产工艺准备,避免出现样机失效,并固化生产加工过程知识;
  • 试验过程是一项费时、费力、费钱的浩大工程,有效开展正向设计的仿真指导试验工作,避免试验无效和试验重复;
  • 而对于试验无法获取,或试验起来非常昂贵的验证数据,怎样通过仿真手段或其它手段获取验证结果;
  • 怎样充分挖掘试验数据价值,进行仿真试验一体化分析,仿真指导试验,试验验证仿真,并利用试验结果来修正仿真模型。


线路运行与维护阶段关键问题

       目前,我国已是高速铁路大国,但是运营时间不长,运营经验尚需不断积累,加之投运规模快速扩充,运营地域环境复杂,充分用好各种检测、监测、监控技术,千方百计做好高铁安全风险防控,并根据检测结果对后续设计进行优化改进。铁路行业正向设计试制与验证阶段的关键问题如下:

  • 进行系统检测:包括轨道检测、弓网检、 轮轨动力学检测、通信检测、信号检测、综合系统;
  • 基础设施专业检测:检测基础设施的运用状态,预测基础设施状态变化趋势和演变规律,提出养护维修建议;
  • 检测数据分析处理系统:建立了综合检测数据分析处理平台,实现数据集中存储管理,通过综合分析研究,对车车辆运行安全风险控制,并对后续设计提出优化建议。