汽车钢板弹簧超图模型的构建

汽车钢板弹簧超图模型的构建

产品配置的概念最早由约瑟夫和1973年提出。它被定义为基于预测值的零件组及其相互限制关系，并通过适当的组合形成满足客户个性化需求的设计过程。产品配置设计是实现产品快速设计的重要手段,也是实现大批量定制的关键技术。在配置设计中,通过对产品的分解,可以加深对产品的了解,同时可以为配置设计提供通用化、标准化的配置单元或配置模块,也使得产品配置过程更加明确、规范和有序,最终达到为客户快速提供个性化产品的目的。超图概念最初是由法国数学家Berge在1970年提出的,用于研究有限集合中各元之间的多元关系问题,描述最具一般性的离散结构关系。其基本概念为:超图(Hypergraph):设一有限集合X={1x,x2,…,xn},X的子集族为:,如果E满足如下两个条件,就称子集族E为集合X上的超图。二元组H=(X,E)称为一个超图,其中元素1x,x2,…xn为超图的顶点(vertices)子集1E,E2,3E,…Em为超图的边(edges),简称超边。超图相对于一般图论而言一个显著的不同是:超边能够表达顶点之间更为一般的关系,而一般图中只能表示两个顶点之间的关系。1钢板弹簧的超图模型钢板弹簧是汽车悬架中应用最广泛的一种弹性元件,它是由若干片等宽但不等长(厚度可以相等.也可以不相等)的合金弹簧片组合而成的一根近似等强度的弹性梁。钢板弹簧又称为叶片弹簧,既是悬架系统中的一个弹性元件也是一个导向元件和减振元件,起着在车轮和车架(或车身)之间传递一切力和力矩的作用,保证汽车的行驶平顺性和操纵稳定性,是重要高负荷安全部件。汽车钢板弹簧的零部件可以用超图的顶点来表示,每个顶点都是一个集合,包含了产品的所有信息。用v1,v2,…,v12分别代表相关的零部件,各零部件之间的约束关系则可以用超边来表示。其中v1代表主片,v2代表其它簧片,v3代表U形螺栓,v4代表螺母,v5代表垫圈,v6代表黄油嘴,v7代表吊耳,v8代表衬垫,v9代表锁紧片,v10代表销,v11代表弹簧夹,v12代表降噪片。由此得到该钢板弹簧的超图模型如图1所示。在钢板弹簧的超图模型中,通过将零部件之间的约束关系(即超边)分别解除的方法将超图进行分解,进而实现钢板弹簧的分解。同时利用结构化超图理论,通过对钢板弹簧的超图模型(图1)进行结构化处理,可以得到钢板弹簧的结构化超图模型,如图2所示。从图2中可以看出,钢板弹簧的结构层次可以分为三层,即产品层(H0),部件层(H1、H2、H3),零部件层(H4、H5、H6、H7)。产品层由多片钢板弹簧,少片变截面钢板弹簧,两级变刚度复式钢板弹簧,渐变刚度钢板弹簧组成,部件层由弹簧叶片、联接件、附加件组成,零部件层则由主片、其它簧片、U形螺栓、弹簧夹、降噪片等组成。然而,对钢板弹簧分解到零部件层之后,难以获得满意的设计结果,主要原因在于分解级别偏大导致能满足条件的组合方案偏少,最终影响到配置设计的有效性。但是如果分解级别过小也将带来组合方案太多的情形,从而导致信息爆炸的结果,最终会增加方案选择或配置的难度,影响配置设计的效率。基于以上考虑,我们将对零部件层进行进一步的分解,以期望得到满意的结果。2主片的赋权有向超图模型在汽车钢板弹簧的零部件中,叶片是最主要的零件,而其它零件的设计都是围绕着叶片的变化和实际情况的需要而定,而且,其它联接件一般都是标准的零部件,可以根据需要直接选用。因此,将主要对钢板弹簧的叶片进行分解。叶片可以进一步分为主片和其它簧片,而主片又决定了钢板弹簧总成的结构,所以将主片作为主要分解对象。根据赋权有向超图的知识,以主片和各种特征属性作为超图的顶点,超边用于表示主片与各种特征属性之间的从属关系,权函数wi表示父件与子件间的约束关系(这里主要是指设计要求的约束),可以得到如图3所示的主片赋权有向超图模型。在图3中,m1代表主片,m2代表卷耳,m3代表截面形状,m4代表端部形状,m5代表断面形状,m6代表上卷耳,m7代表中卷耳,m8代表等截面,m9代表变截面C型,m10代表变截面D型,m11代表变截面E型,m12代表变截面F型,m13代表变截面G型,m14代表矩形端部,m15代表梯形端部,m16代表椭圆形端部,m17代表矩形,m18代表单面抛物线形,m19代表单面单槽,m20代表单面双槽形。权函数wi表示不同情况下的设计要求,如w5表示制造工艺性要求高、卷耳内应力要求不高,w6表示制造工艺性要求不高、卷耳内应力要求高,w7表示无轻量化要求、多片,w8表示有轻量化要求、少片等。通过主片的赋权有向超图模型,在不同设计要求的约束情况下,对主片进行进一步分解。根据结构特征可以分解为卷耳、截面形状、端部形状、断面形状,而卷耳又可以根据制造工艺性要求和卷耳内应力要求分解为上卷耳和中卷耳;截面形状依据轻量化要求及片数等可以分解为等截面和变截面;端部形状依据制造成本和片间磨损要求可以分解为矩形端部、梯形端部、椭圆形端部;断面形状依据节材要求和应力要求等可以分解为矩形、单面抛物线形、单面单槽、单面双槽形。不同的设计要求可以映射成不同的结构特征,不同的结构特征又可以组合成不同的主片结构,通过对主片结构的归类总结,可以得到常用的主片结构。这样就为钢板弹簧的配置设计提供通用化、标准化的配置单元或配置模块,为最终配置出满足客户需要的钢板弹簧提供了有利支持。