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基于相似性和模块化的客车设计应用研究 摘要 本文探讨了相似原理，将其和客车的设计结合起来，分析客车之间的相似性， 并对客车车身结构进行比较，筛选客车的特征元和确定特征元之间的权重，制定 新型客车开发时相似参考对象的选择方法。 同时结合模块化设计的方法和相似性原理，对客车车身进行模块化设计。以 某大型客车作为样车，进行模块划分和设计，建立客车车身模块库，便于以后开 发设计和生产的利用。 在c a d 技术的平台上，对客车车身模块进行参数化设计。模块参数化设计 对模块的基本尺寸和几何形状实现参数控制，模块的几何形状随着尺寸参数值的 改变而改变，保证形状与尺寸的一致性，从而极大地方便了模块的设计，减少专 用模块的设计过程。 对样车进行模块组合，在a n s y s 软件中建立模块化组合的样车有限元模型， 结合样车的电测实验数据，验证有限元模型的准确度，并在样车的基础上，运用 相似性原理和模块化设计的方法进行系列化客车有限元建模。 将相似性原理和模块化设计应用到客车的设计、分析和生产中，能大大减少 设计工作量，缩短开发周期，降低成本。 关键词：客车相似性模块化有限元 a p p l i e dr e s e a r c ha b o u tc o a c hd e s i g nb a s e do ns i m i l a r i t ya n d m o d u l a r i z a t i o n a b s t r a e t i nt h ep a p e r , t h ea u t h o rd i s c u s s e dt h et h e o r yo fs i m i l a r i t ya n du s e di ti nc o a c h d e s i g n c h o s et i l ec h a r a c t e rf a c t o r so fc o a c h e sa n df i g u r e do u tt h ev a l t i eo ft h e i r w e i g h t ，t h e nb u i l tam e t h o d o l o g yt oc h o o s ear e f e r e n c ec o a c hi nt h en e wt y p ec o a c h d e s i g n c o m b i n et h et h e o r yo fs i m i l a r i t yw i t ht h em e t h o d o l o g yo fm o d u l a rd e s i g nt o d e s i g nt h ec o a c hb o d y u s eas p e c i a lc o a c ha sa l le x a m p l et od i v i d et h ec o a c hb o d ya s m o d u l a rc o m p o n e n t s ，a n ds e tu pam o d u l a rs t o r eo fc o a c hb o d yw h i c hc a nh eu s e di n t h en e w t y p ec o a c hd e s i g n u s et h ec a d t e c h n o l o g yt op a r a m e t e r i z et h em o d u l a rc o m p o n e n t so f c o a c hb o d y k e e pt h es h a p eo ft h ec o m p o n e n t sa n dp a r a m e t e ra c c o r d s ot l a ti ti sc o n v e n i e n c ef o r d e s i g n i n gt h em o d u l a rc o m p o n e n t a s s e m b l et h em o d u l a rc o m p o n e n t sa st h ec o a c h ，b u i l di t sf i n i t ec l e m e n tm o d e li n a n s y ss o f i z c v a r ea n da n a l y z ei t c o m p a r et h er e s u l tw i t ht h ed a t ao fe x p e r i m e n tt o c o n f i r mt h a tt h em o d e li sc l o s ee n o u g ht ot h er e a lc o a c h a n d ，d e s i g nan e wc o a c h u s e dt h et h e o r yo fs i m i l a r i t ya n dm e t h o d o l o g yo f m o d u l a rd e s i g nb a s e do nt h es p e c i a l c o a c h t h e r e b yt h er e s u l tc o n f i r m e dt h a tu s et h et h e o r yo fs i m i l a r i t ya n dm e t h o d o l o g y o f m o d u l a ri nt h ec o a c hd e s i g nw a sv e r yu s e f u l i tc a r lc u td o w nt h et i m ei nd e s i g na n d r e d u c et h ec o s t k e yw o r d s ：c o a c hs i m i l a r i t y m o d u l a r i z a t i o nf i n i t ee l e m e n t 插图清单 图2 1 按照客车的功能分类1 0 图2 2 按照客车的地板高度分类l o 图2 3 按照客车的长度分类l o 图2 4 按照客车性能分类1 0 图2 5 客车结构分类1 3 图2 6 半承载式车身1 4 图2 7 全承载式车身1 4 图2 8 纵梁式车架1 5 图2 9 三段式车架1 5 图2 1 0 格栅式车架1 5 图3 1 模块的划分2 3 图3 2 模块综合的作用2 4 图3 3 模块的组合方式2 5 图4 1 车身骨架整体模块2 8 图4 2 前围模块图2 9 图4 3 后围模块图2 9 图4 。4 左侧围模块图3 0 图4 5 左侧围子模块图3 0 图4 6 侧围窗户骨架模块图3 0 图4 7 侧围后窗户骨架模块图3 0 图4 8 侧围前轮开口模块图3 0 图4 9 侧围行李舱连接模块图3 l 图4 1 0 侧围后轮开口模块图3 1 图4 一l l 右侧围模块图3 l 图4 1 2 中乘客门模块图3 1 图4 1 3 右侧围子模块图。3 1 图4 1 4 顶盖模块图3 2 图4 1 5 顶盖子模块图3 2 图4 1 6 前围连接模块图3 2 图4 1 7 后围连接模块图3 2 图4 1 8 中前段模块图3 3 图4 1 9 中后段模块图3 3 图4 2 0 天窗模块图3 3 图4 2 l 底架过道模块图3 3 图4 2 2 底架过道子模块图 图4 - 2 3 前门踏板连接区模块图3 4 图4 2 4 中段底架模块图3 4 图4 - 2 5 中门踏板连接区模块图3 4 图4 2 6 后段底架模块图3 4 图4 - 2 7 后座椅底架模块图3 4 图4 2 8 三段式车架模块图3 5 图4 2 9 前段车架模块图3 5 图4 3 0 三段式车架子模块图3 5 图4 - 3 l 前段车架子模块图3 5 图4 3 2 前段前横梁模块图3 5 图4 3 3 横梁模块图3 5 图4 3 4 静段纵梁架模块图3 6 图4 3 5 前悬支架模块图3 6 图4 3 6 前后段连接模块图3 6 图4 3 7 油箱支架模块图3 6 图4 3 8 中段车架模块图3 6 图4 3 9 行李舱底架模块图3 7 图4 4 0 宽隔板模块图3 7 图4 4 i 中段车架子模块图3 7 图4 4 2 中门加强梁模块图3 7 图4 4 3 短隔板模块图3 7 图4 4 4 后段车架模块图3 8 图4 4 5 后段车架子模块图3 8 图4 4 6 中后段连接模块图+ 3 8 图4 4 7 中后段加强模块图3 8 图4 4 8 后段横梁模块图3 8 图4 4 9 后悬后支架模块图3 8 图4 5 0 后段前纵梁模块图- - 3 9 图4 5 l 后段后纵梁模块图3 9 图4 5 2 变速器支架模块图3 9 图4 5 3 发动机支架模块图- 3 9 图4 5 4 发动机护栏模块图3 9 图4 5 5 后地板支架模块图3 9 图4 5 6 后排座椅支架模块图3 9 图5 - 13 d 线性有限应变梁单元b e a m l 8 8 4 6 图5 2s h e l l 6 3 壳单元 图5 3 样车几何模型一 图5 - 4 车身骨架有限元模型 图5 - 5 应变片布置位置示意图 图5 - 6 应变片布置位置示意图 图5 7 新车有限元模型t 4 6 4 9 5 0 5 2 5 3 5 6 表格清单 表2 1 第一层特征元和权重关系表 表2 2 评价标度表 表2 3 判断矩阵的盯值 表2 4 第二层特征元和权重关系表 表5 1 材料及其机械性能 表5 2 样车各部件质量统计 表5 3 样车整车质量参数 表5 - 4 主要试验仪器 表5 5 静态应变试验结果与有限元分析结果对比 表5 6 新模型和样车模型的应力和应变对比控坩拇拍豇研舄弱 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒g b 工些盍堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 学位论文储签字- 为氖氓签字嘲州年f 月) 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目b 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 目垦王些盍堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：夕5 # 、且人 导师签名 签字日期：) 姊z 年r 月，7 日 学位论文作者毕业后去向： t 作单位： 通讯地址： 签字日期：少吖年y - 月t 7 日 电话 邮编 致谢 在此论文完成之际，我首先要对尊敬的导师陈朝阳教授表示深深的感谢，是 陈老师深厚的学术功底、严谨的学术指导使得我的硕士论文得以顺利完成。同时 我要感谢张代胜教授，在研究生学习阶段，他对我的生活和学习工作给予了无私 的关怀、帮助和指导，他高尚的人格品质和虚怀若谷的学术作风将使我受益终生。 感谢张树强副教授、谭继锦副教授、尹安东副教授在研究过程中给予的指导和帮 助，感谢王其东教授、陈无畏教授、钱立军教授以及合肥工业大学汽车教研室的 其它老师给予的支持和鼓励。在硕士阶段的学习中，我从各位老师那里学到的不 仅仅是丰富的科学知识，更宝贵的是那种锲而不舍的钻研精神和对生活对事业真 诚和严谨的态度，所有这些都将是我人生道路上的宝贵财富。 感谢我的亲人和朋友，他们不仅给了我物质上的支持，还不断地给予我精 神上的鼓励。在我漫漫的求学路上，每当感到迷茫与困惑的时候，他们都会以浓 浓的亲情和友情来抚慰我；在我取得成绩的时候，他们和我一起分享喜悦，鼓励 我继续努力。感谢张蔚给我最亲切的关怀与支持。 最后要感谢我的同学李华香、欧阳风生、徐杨、李增辉、高扬、顾福勇、肖 悦、陈宗好、李仲奎、肖海萍、王亚晴、姜永胜、吴勃夫、李明红、李碧誊、黄 志鹏、汪文龙、孙习武、毛啸滇、姜竹胜、孙启启、初长宝、李进、汪知望、尹 鸿飞、覃运梅、郑月楠、杨瑜、姚炜、陈利明、何建辉、韩清、张雷、刘焕广等， 感谢他们几年以来的陪伴以及对我的帮助和启发。 深深地感谢所有关心我、爱护我的人! 作者：李庆欢 2 0 0 6 年5 月 1 1 引言 第一章绪论 在人口不断增加，交通网络不断发展的现代社会，人们的生活节奏日益加快， 每天有无数人穿梭在城市的每个角落，城市之间，甚至在全世界的每一片土地， 因此对公共交通工具的需求也在不断地增加，同时对公共交通的舒适性、安全性 和动力性的要求也越来越苛刻。尤其是人们对使用最频繁的客车，要求越来越高。 传统的客车设计生产方式，周期比较长，难以满足现代生活节奏的需求，尤 其是在客户个性化定制的情况下，任务重，时间紧，客车企业难以在保证客车质 量的情况下完成任务。因此，有必要在客车的生产和设计阶段，采有一些新的方 法和措施，缩短客车的生产设计周期，确保客车的质量。将相似性设计和模块化 设计的方法应用于客车的设计生产中，并结合c a d c a e c a m 技术，具有很好 的意义和应用前景。 1 2 研究背景 在当前国内外客车市场的激烈竞争中，提高产品质量、降低产品成本和缩短 产品开发周期是增强企业竞争力的关键。随着生产规模的扩大，产品品种和协作 关系错综复杂，生产情况千变万化，更要求企业能快速适应市场的需求，实现客 车结构的多样化。目前国内的客车制造厂实际上是一个车身制造和客车总装配的 生产厂，车身的生产是客车厂的主要作业，车身设计与制造水平是客车制造厂的 标志。统计资料表明，车身是客车自重和价格的主要组成部分，车身占客车自重 和制造成本的4 0 6 0 。如今我国的客车企业，由于客车生产小批量、多品种、 系列化的特点，设计人员忙于绘图，疲于应付订单，分析设计滞后。设计中多采 用模仿、类比等传统方法，对不能类比的则采用高安全系数，哪儿出现问题就在 哪儿补强，难以保证质量。 国内外汽车生产实践一再表明：整车生产能力的发展取决于车身，汽车的改 型与改装也取决于车身。车身设计本身是一个非常庞大的系统，涉及面极广。面 临全球经济一体化进程的加快，客车行业竞争愈演愈烈，为了缩短开发周期，达 到轻量化和一次性开发成功的目的，客车车身的设计方法也呈现出多样性。如何 吸收消化及掌握并再开发现代车身设计技术，深化与细化各种设计方法，将其整 合在一个开发平台上，开展车身设计理论及方法的研究，不仅具有重要的学术价 值，对培育我国汽车工业的自主开发能力，尤其是对现阶段的车身自主开发设计， 意义重大。 1 3 国内外研究现状 客车是现代社会中的主要交通工具之一，对发展国民经济和促进人民生活水 平提高发挥着重要作用。世界各主要客车生产厂都应用最新科技成果潜心致力于 客车新产品的研制和开发，不断地向市场提供有竞争力的新型客车。各大汽车公 司利用现代手段和方法缩短其换型丌发周期，以求尽快、尽早地推出新产品抢占 市场，各客车公司都是将各自的技术牢牢地掌握在自己手中，实旅平台战略与车 型多样化。 按设计方法划分有基于虚拟样机的车身丌发技术，有车身设计的多学科优化 设计技术，以及正在发展的客车设计智能系统等等。按生产方式划分有“全球化”、 “平台战略”、“并行工程”、“订单生产方式”以及“模块化”等，各种方法需要 有机的整合起来，才能发挥其应有的效能。其中模块化的生产管理方式对产品设 计同样有效。它能够降低成本、减轻自重，使企业更加机动灵活地面对市场竞争， 模块化战略已成为全球汽车厂家的重要发展战略之。 模块化设计的研究最先应用于欧洲2 0 世纪4 0 年代的车床设计中，如今，在 西方国家，模块化设计已经应用到很多领域忆到上个世纪九十年代，模块化设 计方法研究开始在国内出现，但仅仅限于一些理论上的探讨，具体实施的应用范 围比较窄，有人做过家具设计的模块化设计研究，并得到不错的效果【2j 。当前， 模块化生产和设计模式在我国的汽车工业领域还处在一个探索和陌生的阶段，由 于不能基于共享的集成平台进行产品分析设计，模块化设计的理念还未能真正落 实到实处。 相似是一个比较普遍的概念，是人类在生活中的一种基本的意识。周美立教 授在前人经验的基础上，总结出相似性理论，使之成为一门专门研究事物之间的 相似性的学科d “】。国内外对于相似性的研究，目前还处于一种探索阶段，少见 有用于指导生产设计的应用。汽车系统设计中的相似性研究，国内外目前开展的 工作还较少。 计算机技术的发展引发了车身设计方法的重大变革，实现了车身三维数字数 据库模型信息的共享。车身设计虽然涉及到众多方面，但其研究方法主要有两类， 一类是数值模拟的方法，另一类则是试验方法。通过将计算机辅助工程( c a e ) 和 计算机辅助试验( c a t ) 相互比较印证，使得分析的数据可靠性高、实用性强； 有效利用c a d c a e c a t 等技术，将虚拟分析与试验测试结合起来，将市场的需 求转化为技术目标，实现对市场的快速反应，从而达到缩短开发周期、节省研制 费用、减少投资风险等产品效益最大化的目标。 1 4 研究内容 2 本研究是安徽省攻关项目基于相似性的客车车身模块化轻量化应用研究 的一部分，是实现轻量化最终目的的前提研究工作，主要是围绕客车设计生产的 方法和应用研究。 本文将相似性原理和模块化设计应用于客车的设计生产，通过对相似原理的 分析研究，寻找客车之间的相似关系，并对客车进行基于相似性的不同层次分类， 制定开发新型客车的相似参考车型的选择方法，便于客车企业的新车设计开发。 在研究客车结构的相似性的基础上，对客车结构进行模块化设计，将客车车 身化整为零。以某客车作为样车，根据车身机构的不同功能和特征，将其进行彻 底的模块划分，使得每个模块都具有独立性和通用性，并建立客车车身模块库， 应用于客车的系列化、多样化、个性化、轻量化的车身设计中。 在c a d 技术的基础上将该样车车身模块进行组合，结合c a d 和c a e 技术， 对在模块化设计基础上组合而成的该客车结构进行有限元强度分析，并和样车实 验数据进行比较，验证将相似性原理和模块化设计应用在客车设计上的可行性。 2 1 相似性 第二章相似理论与客车设计 相似首先是人类早期对自然界各种各样有着相近外形和特征的事物的一种 潜意识，随着人类对自然的认识的提高和不断改造，相似的意义不断得到深化， 从外表特征到事物的内在属性，都有着不同程度的相似，从而形成了相似理论。 相似既有广义的相似，也有狭义的相似。广义的相似包括宇宙万物在自然规 律和内在属性上的相似，狭义的相似主要是从人类在生产劳动中所产生的具体物 体间的外形特征和内在属性的相似。 相似是个很模糊的概念，怎么样才是相似? 怎样才能表示事物的相似程度? 怎样才能对事物间的相似进行比较? 以什么样的标准去进行比较? 这都是相似 的复杂之处，一个定性的理解很难对事物间的相似进行比较，尤其是在工程应用 上，所以产生了理论化和量化的相似性分析和研究。 事物都有系统性、层次性，所以事物间的相似性本质是指事物间的系统相似。 相似是一个相对的概念，它包括从完全不同到完全相同之间的所有，系统所有的 构成要素和属性完全不同的系统为相异系统，系统所有的构成要素和属性完全相 同即相同系统，处于两者之间的，系统的构成要素和属性存在部分的相似则是相 似系统。事实上，各种各样的事物不会完全不同也不会完全相同，都会在不同程 度上存在局部的相似，所以，用相似来描述事物之间的关系有很大的意义。 系统相似存在一个相似程度的问题，为了便于对相似程度进行比较，用量化 的q 来表示相似度。如果两个系统在指定的范围所有的性质都相同，我们可以 认为这两个系统指定相同或者相同，即相似度q = i ；如果两个系统在指定的范围 所有的性质都不相同，我们可以认为这两个系统指定不同或者相异，即相似度 q = o 。而相似系统在指定的范围内的相似度o q i 。 2 2 相似特性的分析 相似特性主要是特征量，通过事物间的比较，找出共有的特征量，并对事物 间的特征量进行比较，得出特征量的相似度，从而得出事物的相似程度。 相似特征量的分析通常包括量纲分析法和方程相似法口】： 1 量纲分析法。通过对系统间特征值的量纲进行考察分析，找出各量之间的 相互关系，求解相似准则，叫量纲分析法。量纲分析法的理论基础是：方程等号 两边齐次性。应用量纲分析法时，必须考虑： ( 1 ) 描述系统特性的方程应该转化成无量纲准则方程。 ( 2 ) 消除不能组成相似准则的物理量，尤其是非独立的物理量，相似系统 4 有( n k ) 个准则，每项准则相对成立。 ( 3 ) 基本量纲成组出现时，应统一按某一量纲考虑。 ( 4 ) 无论采用何种量纲，相似推理，应对最后的结果没有影响。 ( 5 ) 要对所有特征进行分析，避免相似准则数量不全。 2 方程分析法。运用已知的支配系统特性规律和描述特征的物理方程，求解 相似指标和相似准则的方法，称为方程分析法。它的要求是方程中的量纲要和谐。 方程分析法主要有相似变换法和积分类比法。方程分析法的方法为： ( 1 ) 根据已知相似规律，写出物理规律方程式。 ( 2 ) 分析识别全部相似特征，并获取相似特征值，求解相似比。 ( 3 ) 将相似比代入关系方程中，进行相似转换，得出相似指标。 ( 4 ) 将相似比代入相似指标式，求相似准则。 实现对相似特性定量分析，首先是能够对每一个特性获取其特征值。系统间 对应相似特性的特征值相似比，用r 表示。用特征量相似比的数值大小，反映特 征相似程度的大小。 设系统或要素间有m 个共有相似特征，依次表示为s ，s ：，s ， s ，1 t 1 个相似特征的汇集，称特征总集，电为w 。其中系统a 、b 中同一特征 s ，的个特征值用特征函数表示，记为u ，( a ) ，u ，( b ) 。对应特征值比例系数 记为r ，则给出 m m ( u ，( 一) ，u ，( b ) ) ，一m a x ( u ，( 爿) ，u ，( 础) 式中，0 ，l j ：1 ，2 ，3 ，m 。r ，的数值大小反映系统相似特性的相似 程度大小。 显然，相同系统的一切特征s ，都有u ，( a ) = u ，( b ) ，则r ，= 1 。 对于相似系统的同一个s 的特征值，依次可以得出系统a 和b 中的n 和m 个特征值，分别为 u ，( a i ) ，u ，( a2 ) ，u ，( a ，) ，u ，( a 。) ； u ，( b i ) ，u ，( b2 ) ，u ，( b ，) ，u ，( b 。) 。 2 3 相似元的分析 不同类型、不同层次系统中组成要素及特性不尽相同，但这些系统间的某些 组成要素的属性和特征存在共同性而形成相似性。在要素间存在共有的属性和特 征，而特征值在数值上可以存在差异特性的要紊，定义为相似要素。系统间存在 一个相似要素或一个相似特性，便在系统间构成一个相似单元，简称相似元。在 系统间存在n 个相似要素或相似特性，构成n 个相似元p “1 。 系统的组成要素本身也可以是一个系统，这个较小的系统又由很多不同的要 素组成，但是这些较小系统间的要素都有着统一的属性和特征，那么这个较小的 系统所形成的相似元是个层次比较高的相似元，如果这些较小系统问的要素都只 是有相似的属性和特征。那么这个相似元还可以进一步细化，划分出低一个层次 的相似元。 假定系统a 由a ，a ：，a f 个组成要素，系统b 由b 1 ，b2 ，b 个 组成要素。那么，系统a 和b 中要素的集合分别汜为彳和b ，则 a ； a 【，a 2 ，a ) b ； b 1 ，b2 ，bl ) 如果系统a 中某要素a ，的特性与系统b 中的要素b ，的特性相同，构成相似 元，我们可以把a ，和b ，构成一个子集合，记为“，则 “2 fa ，b ， 假定系统间存在n 个相同素性和特征的要素，那么，在系统间可以构成n 个子集合，把n 个子集合构成的集合称为相似元集合，记为u ，则 u = ，”l ，“2 ，“， 根据集合论中的交集理论，有 u = “n 口 把系统间具有一定对应相似要素a ，和b ，组成的相似元，记为“( a ，b ，o 若把系统a 、b 间完全不同的要素去掉，并把系统a 与b 中对应的n 个相似要 素适当排序后，系统a 、b 中要素组成的集合分别为 爿= a 1 ，a2 ，a ，a b = b l ，b2 ，b ，b ) 设j 集合中要素为因素集，百集合中要素为二元对应被择集。这样，任意对 应的相似要素，构成相似元“( a 。，bj ) ，则在系统a 与系统b 之间组成n 个相 似的集合 可；，“1 ，”2 ，“， 并称西为系统a 与b 的相似交集，即 u = 爿nb = ，“l ，“2 ，“， 其中n 为相似交运算。 把不同类型、不同层次系统中组成要素作为元素，组成不同的集合。通过区 分出系统中要素的具体特性，找出相似要素组成子集合“。每一个子集合”作为 一个元素，构成相似元。并进一步构成由多相似元组成的集合u 。集合u 中的 每一元素对应着相似系统中的每一相似元。 2 4 相似度 6 2 4 1 系统要素数量相似数值方法 集合爿和占不重复的切要素组成的集合为并集s ，即 s = aub 系统的要素可划分为无限个，但基于现实中的使用，一般划分为有限个。为 方便计算系统要素数量，对于系统中要素组成的有限集合，用要素数量为集合基 数来计算。设集合a 中的基数记为掣( a ) ，集合b 中的基数记为群( b 1 ，集合s 中 的基数记为撑( s ) ，集合u 中的基数记为# ( ，则系统a 、b 中要素撑( b ) 、社( a ) 。 假定系统a 中要素为k 个，系统b 中要素为l 个，则有k = # ( a ) ，l = 拌( b ) 。 集合a 与b 的并集s 的基数为 存( s ) = _ f ( a u b ) = ( a ) + 存( b ) 一 f ( u ) = k + l n ( 2 - 1 ) 在相似系统a ，b 中要素数量一定条件下，系统问相似要素的多少直接决定 着系统要素数量的相似程度大小。设系统a 、b 间共有不重复数量与系统a 、b 间相似要素数量的比值，为系统要素数量相似度，记为q 。，即 q 一# ( a f 3 b ) ! 盟：型 f 2 2 1 一“ 撑( 一u b )拌( 爿) + 拌( b ) 一撑( u ) k + 三一j v 、 根据上式可见，在系统a 、b 中要素数量定的条件下相似要素的数量越多， 相似度越大，且有： ( 1 ) 当k = l = n ，见= 1 ，它反映系统a 、b 间要素相同量相似度极大。 ( 2 ) 当n = o ，g = 0 ，它反映系统a 、b 问无相似要素，量相似度极小。 2 4 2 系统特征相似度量方法 根据相似系统分析与度量模型，在系统要素数量一定条件下，系统相似度主 要是由系统相似要素的数量和相似元数值q ( u ，) 大小决定的函数。由上述相似元 数值方法可知：每一个相似要素的相似程度是由要素特征数量和特征相似程度确 定。要素特征与系统特征具有相关性，要素特征相似程度确定的相似元数值大小， 直接影响着系统相似度大小 3 - s 。 在组成系统的要素中，有的要素对系统相似的影响程度大，有的影响程度小， 所相似元之间的权重不同。考虑每一个相似元值对系统相似度的影响不等，分别 对相似元“，u ：，”，取权重系数屈，：，风，给出相似元数值确定 的系统特征相似度q ，即 q = ( 屈毗) + f 1 2 q ( u ：) + + f l u q ( u ”) ) = f l i q ( u ，) ( 2 - 3 ) j 。i 式中，0 g 1 ，0 孱- 1 ，且屈= 1 。 从客观上说，每一个相似元对系统相似度影响是不相同的，即意味着它们之 间相对比较而言，对系统相似度作用重要程度是不一样的，所以权重系数决定了 各项相似元对系统总体相似性的影响。 2 4 3 系统相似度计算公式 基于上述的相似系统分析度量模型，系统相似度是在系统组成要素及特性一 定条件下，系统间存在一定的相似要素，且每一相似要素存在一定相似程度的函 数。设系统a 、b 组成要素数量分别为k 、l ，系统a 、b 问相似要素数量为n ， 相似要素用相似元表示，相似元数值为q ( u ，) ，分别取各自相似元值对系统相似 度的权重系数为屈，考虑要素的数量相似和特征相似两者不可缺少，参考并合 算法，给出系统相似度计算公式如下 3 - 5 1 ： g 一，剐= 再i j i 喜属可( ，) = 志姜；届g ( “，) ( 2 。4 ) 且有 fq = 1k = 三= n ，q ( u ，) ；1 q = 0 q 10 n m i n ( k ，上) ，g ( 甜) 1 ，q ( u ，) 00 g ( 掰，) 1 q = 0n = 0 ，q ( u ，) = 0 在上面相似度计算式中，n ( k + 三一) 项表示系统a 和系统b 问相似要素 数量n 的多少对系统相似度影响，f l , q ( u ) 项表示每一个相似要素的特性相似程 度及其权重值对于系统午似度的影响。显然，当系统a 、b 中组成要素及特性不 变时，系统问相似要素越多，缚一相似要素的特征相似程度越大，则系统相似度 越大。 2 4 4 系统付 似悭”j f 掺睑 当系统a 、b 丝姨婴采数量相同，且一切要素特性都相似，即系统a 和系统 b 之问训婴洲。址川似要素，则k _ l = n 。则有n ( k + 上一) = 1 。相似度则 由n 个川似，l n 5 【c l ( t t ，) 大小所确定，即为q ( 4 ，曰) 。 设棚似口蚓+ 内干h 似度为相似元值q ( u ，) 大小所确定，相似要素给系统相似影 响权重系数为时，则系统相似度由( 2 - 3 ) 式所确定。当屈= 1 n 时，则 1n q 。( ，四= 吉g ( ) ( 2 5 ) 1 ，= i 显然有以f 推论： 1 ) 当q ( u ，) ；l 时，q = 1 。 2 ) 当0 q ( u ，) l 时，0 q 。 1 a 3 ) 当q ( u ，) ；0 时，见= 0 。 8 2 5 相似系统设计 相似系统的设计包括相似单元设计和相似系统集成设计两部分。系统的集成 设计通常是总体的设计，具体的设计必须出各个单元构成，所以，相似单元的设 计是相似系统集成设计的前提和细化。 相似系统设计的目标是：根据某一个系统已知的特征和性能，设计出另一个 相似的系统。利用已知系统的已知条件，挖掘并利用与所要设计目标的相关属性 和特征，可以很快实现目标的设计。 相似系统设计过程主要有以下方法和步骤 3 - 4 ： 1 ) 确定系统要素的数量及其特征，并根据要素间相互关系建造一个相似系 统模型，作为相似系统中的原生系统a 。 2 ) 由系统a 中的要素口，构造出系统b 中的要素6 ，并使要素b ，与口，的特征 相似，成为相似要素。由相似要素构造出一系列的相似元“( a ，b ，) ，i = 1 , 2 ，。 3 ) 按系统a 中要素的特定序结构、信息作用关系和一系列相似元”及其相 互关系，建造相似系统模型，进而组合系统b ，使得a 、b 系统间要素具有对应 性、相关性，设计出与原生系统a 相似的系统b 。 2 5 1 相似系统集成设计 通常系统可以分解成若干结构与功能相对独立的单元，由于单元的可变性， 选取一定数量的单元按不同序结构，其系统特性不一样，可出现差异性和复杂性。 单元组成系统的序结构类型有：串联、并联和混联。基于相似理论，用组成系统 单元序结构的共性形成相似性。选取定数量不同特性的单元，按系统序结构的 相似规律进行相似系统设计。用序结构共性程度大小设计相似的系统。由相似单 元按不同序结构和相互关系集成的系统，称为单元化相似系统。 单元化系统多数是属于单元与单元组合的非线性系统。将各个单元按一定序 结构进行不同组合，便可得出以单元化为基础，集成设计出具有一定相似性的系 统。系统相似程度大小取决于单元数量和特征相似程度，以及单元组成系统序结 构的共性 3 - 4 。 2 5 2 相似单元设计 相似系统集成设计可以进一步细化到单元设计。系统间存在相同的单元或者 相似的单元，也存在不同的单元。对于所要设计系统来说，原生系统只是设计过 程的一个较为接近的参考，其他从系统性的角度看似没有相关的系统具体到单元 的时候，如果存在和目标系统某个单元有相似属性和功能的单元也可以作为参 考，也就是原生单元。 相似单元设计的一般原则是 3 - 4 ： 1 ) 单元具有简单性、相似性和通用性。 2 ) 对于每一个单元，要明确给单元的特性及在系统中的作用，明确其功能。 3 ) 单元与单元要相互配合，与系统的整体相和谐。 2 6 客车相似设计 客车是一个很复杂的系统，但就客车本身而言，客车与客车之间是一个非常 相似的整体，有着很多共同的功能、用途和结构，因此根据以上的相似理论，可 以在客车设计时，采用相似的方法。尤其是在设计的前一阶段，用相似的方法来 选择可供参考的车型有着很大的帮助。 客车的相似设计分为两个层次，第一层是在制定设计任务时，选择具有相似 功能、用途和性能等方面的参考车型；第二层是在进行客车结构设计时，在已有 的相似参考车型中选择结构更加相似的样车。 2 6 1 第一层参考样车的相似选择 厂1 市区客车 r _ 城市客车h 客i _ 勉查丰l 车 一，一、 一营运客车 l 城间客车叫 l 旅行客车 图2 - 1 按照客车的功能分类 图2 - 2 按照客车的地板高度分类 图2 3 按照客车的长度分类图2 4 按照客车性能分类 2 6 1 】特征元的确定 根据客车的功能用途和结构，可对客车进行以下分类四种分类( 如图2 1 、 图2 2 、图2 - 3 和图2 - 4 所示) 。 o ( 1 ) 按照客车的功能和用途可将客车分为城市客车和城间客车，其中城市客 车又分为市区客车和城郊客车，城间客车分为运营客车和旅行客车。 a ) 市区客车。市区客车是市区的公共交通用车，运营距离一般比较短，乘 客上下车频繁，所以设计时应该侧重于乘客上下车要方便，便于乘客在车内走动， 因此车内的行走和站立空间要求比较大。市区路况比较好，车速较慢，一般对客 车的平顺性要求不高。 b ) 城郊客车。城郊客车是城市郊区的公共交通用车，运营范围一般在城市周 边，距离比较短，较之城市客车，乘客上下车不是很频繁，所以不需要太大的乘 客站立空间，相对增加座位的数量。 c ) 运营客车。运营客车主要用于城市之间的来回穿梭，路程比较远，行使时 间比较长，速度快，可能会遇到很多不同路况的道路，乘客在路途中很少上下车， 因此长途客车的设计应该给旅客提供一个舒适宽松的乘座环境，尽可能大的行李 舱空间，甚至要求设置卫生间和饮水间，同时对乘坐空间和安全性也有比较高的 要求。 d ) 旅行客车。旅行客车也就是豪华客车，主要为外出旅行的乘客设计，所以 针对这种情况下的乘客要求，旅行客车较之普通运营客车，更加强调舒适性、安 全性和乘坐环境。 ( 2 ) 按照客车的地板形式可将客车分为单层客车和双层客车，其中单层客车 又分为高地板客车、中地板客车和低地板客车。 a ) 低地板客车。低地板客车是车身底架及前部走道的地板高度在3 2 0 毫米 3 5 0 毫米之间，前门及中门形成平坦通道，完全取消车门台阶。低地板客车具有 上车时没有台阶，一步就进入车厢等特点，乘客上下车方便。 b ) 中地板客车。中地板客车的地板高度介于低地板和高地板客车之间，主要 由客车底盘的高度影响。 c ) 高地板客车。高地板客车一般在客车底部设置有行李舱，行李舱的大小 影响着地板的高度。 d ) 双层客车。双层客车分成两层，载客量为单层客车的两倍。由于车身高度 的影响，双层客车每层的高度都比较低，空间相对比较窄。同时由于重心比较高， 不利以操纵，要求底层地板高度尽可能低。 ( 3 ) 按照客车车身的长度可分为大型客车、中型客车和小型客车。小型客 车的车身长度为：3 5 m s l 6 m ；中型客车车身长度为：6 m l 9 m ：大型客车车 身长度为：9 m _ l 1 2 m ( l 为车身长度) 。 ( 4 ) 按照客车的性能可以分为高三级客车、高二级客车、高一级客车、中 级客车和普通客车。各个分类的标准见附表营运客车类型划分及等级评定 客车等级评定必要条件表。 因此，根据以上分类，可确定客车相似设计的第一层相似元：客车功能s ” 客车地板s 。客车长度s i s 和客车性能s 总共有四个特征元。由于客车的以 上特征是以某一种方式表现出来，在量化的时候用1 和0 表示，1 ，表示 采用了与某种方式相同的结构，0 表示采用了与某种方式不相同的结构。 2 6 1 2 权重的确定 由于第一层相似元都是客车的一些上层基本特征，各个特征元的权重应该相 等。所以权重确定为： 口1 2 ( 届1 屈2 崩3 届4 ) 7 = ( 0 2 50 2 50 2 50 2 5 ) 7 2 6 1 3 相似车型选择实例 假设有一个车型数据库，里面有a 、b 、c 和d 四种车型，a 为中地板大型 中级市区客车，b 为中地板小型中级城郊客车，c 为高地板大型高二级营运客车， d 为高地板大型高三级旅行客车，可以得出如表2 - 1 所示的特征元和权重的关系 表。 表2 - 1 第一层特征元和权重关系表 墓 s l l s 1 2 s 1 3 s j 4 市 城旅营 低 由 高高高高 区郊行运 地地地 双大 d 小中普 客客客客 板板板 层型 型型 三二 级通 客客客 客客客客 级级级 客 客 屯 乖 车车 车 生生生 客客客 车车 生生生生 生变 a v b c d k v ， 口。属。 = 0 2 5 届2 = o 2 5 届3 卸2 5 届4 踟2 5 如果某客车企业根据设计任务，要设计一款中地板大型高三级旅行车k ，可 以将k 和已有的车型进行相似比较，得到相似元矩阵只： s 1 ls 12s 1 3s 1 4 r o110 a o100 b p l2 | 0 01oc 1o11d 2 相似元与权重相乘得到相似度： q 1 = 只口，= o1 0 1 0 o 1o 1o o o 10 1l ( o 2 5 0 2 50