CRH1A型电力动车组驾驶室三维曲面设计与质量分析.pdf

铷l 造 訇 化 C R H1 A 型电力动车组驾驶室三维曲面设计与质量分析 3D sur f ace desi gn of CRH1 EM U cab and i t s qual i t y anal y si s 武振锋，赵旭才 ， 李忠学 W U Zh e n f e n g， ZHAO Xu c a i ， Ll Zh o n g x u e ( 兰州交通大学 机电工程学院，兰州 7 3 0 0 7 0 ) 摘要 ：本文针对CR H q A型电力动车组驾驶室曲面的结构特点 ，提出了一种基于O ATI A V5 的快速 建模与曲面质量评价方法。该方法首先应用O ATI A V5 提供的混合建模功能，分别创建了 驾驶室正面 、侧围、正面与侧围之 间的过渡和导流板的三维曲面模型 ，然后在虚拟环境 下，对曲面零件进行了装配，形成了驾驶室的三维数字化模型，最后分别应用多种曲面质 量分析方法 ，具体包括等照度线、多截面曲率梳、高斯曲率等，对驾驶室的曲面模型质量 进行了评价，并将评价结果与A 级曲面的标准进行了对比分析。文中的分析结果不仅可以 作为后续列车流场分析的基础，同时也可以为驾驶室外板骨架安装以及模具加工制造提供 可靠的理论依据。 关键词：C R H 1 A动车组；驾驶室；曲面模型 ；质量分析 ；CA T I A 中图分类号：T H q 2 2 文献标识码：A 文章编号： Doi ： 1 0 9 9 6 9 J i s s n 1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 2 9 ( 下 ) 3 1 0 引言 自 2 0 0 7年 4月我 国铁路实施第 6次大范围提 速 以来 ，电力动车组开始在我 国主干 电气化线路 上投入运 行。动车组是一种 由 自带动力 的动车和 不带 动力 的拖车 ，经 固定编组 而成 的旅客 列车。 近 年来 ，我国铁路通过 引进、消化、吸收和再创 新 ，形 成 了 “ 和 谐 号 ”C R H1 、C R H2 、C R H3和 C RH 5四种系列 9种型号的国产 自主品牌高速电力 动车组。 目前 ，电力动车组 以其快速 、安全 、灵 活的特点 ，已广泛应用在我 国高速铁 路、客运专 线、地下铁道、城市轻轨等领域。 为 了满足不断提 高的运行速度 ，动车组必须 采用流线型外形设计 ，即要求具有 良好的空气动 力学性能。同时，具 有流线化 外形的动车组也是 我 国铁路高速化、现代化形象的具体体现 ，又 因 驾驶室 位于整列动车组 的最前端 ，其设计结果将 会对 动车组整体 产生重要影 响 。因此 ，设计制 造 出曲面流畅、造型 美观又符合空气动力学要求 的动车组 驾驶室外形已经成为铁路机车车辆领域 科研人 员所关注的焦点 问题。近年来 ，研 究人员 对产 品进行曲面造型与质量分析的研究主要集 中 在了汽车领域 ，具体包括车身整体 、发动机罩 、 前翼子 板 H 、前 后车 门 、后背 门 以及保 险杠 上 ，而对动车组驾驶室进行三维设计及 曲面质量 分析文献相对较少。本文将利用 C A T I A V 5软件 ， 完成 C R HI A型 电力动车组驾驶室三维曲面设计 ， 并分别应用等照度线、多截面 曲率梳、高斯 曲率 等评 价方法 对驾驶室 曲面 质量进行 了评价 ，进而 使其具有更强的操作性和实际应用价值 。 1 C R H1 A 型电力动车组简介 C R H1 A是 为 了满足 我 国铁 路 第 6次大 提速 的需要 ，由青岛四方庞 巴迪铁路运输 设备有限公 司制造 的高 速电力动车组 。该型号动车组持续运 营 速 度 为 2 0 0公 里 小 时 ，最 大 运 营 速 度 为 2 5 0 公 里 小 时。整 车采 用交 一 直 一 交传动 形式 ，编 组 方式 为全 列 8节 ，包括 5节动 车 及 3节 拖车。 C R H1 A型动车组总长 2 1 3 5 5 m，头车 ( 含驾驶室) 长度为 2 6 9 5 m，中间车长度为 2 6 6 0 m，车体宽度 3 3 2 8 m，车体高度为 4 0 4 m。随着产品的不断交 付使 用，C RH1 A型动 车组先后运行在广深铁路 、 武广 客专 、广珠城轨 、武九铁路、达 成铁 路等线 路 上 。 2 C A T I A 与A 级曲面 2 1关于CA T l A C A T I A 是 法 国 Da s s a u l t S y s t e m 公 司 开 发 的 收稿日期：2 0 1 2 0 3 -1 2 基金项目：兰州交通大学青年科学基金资助项目 ( 2 0 1 1 0 1 8 ) 作者简介：武振锋 ( 1 9 7 6 一)，男，黑龙江齐齐哈尔人，讲师，硕士，研究方向为数字化设计与制造。 第3 4 卷第9 期2 0 1 2 9 ( 下) 9 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 铷1 违 匐 似 C A D C A E C A M 一体化软件 ，具有强大 的三维实 体建模 、曲面创建、参数化混合建模 、工程分析、 产品装配、虚拟加工 、数 据管理 等功能。C A T I A 提 供了全新 的产品三维设计模式 ，其优 越性 大大 高于传统二维设计软件 ，可 以提高产品的设计 效 率、缩短产 品开 发周期和降 低开发成本 ，为新产 品快速 占领市 场提供 了有力保证。正 因为 C A T I A 软件的上述优点，目前该软件在航空航天、汽车、 船舶 、仪器仪 表等领域 得到了广泛的应用，且 多 数是 V 5版本。 2 2 A 级 曲面的定义 A级曲面 ( C l a s s A S u r f a c e ) 首先是由 Da s s a u l t S y s t e m公司在开发 C A T I A软件包时提 出并付诸应 用的，专指既满足 几何光滑要求 ，又满足 审美需 求的曲面 。最初 A级 曲面主要应用在汽车车身模 型中，随着人们对 A级 曲面认知程度的提高 ，目 前其 已广泛应用在飞机、船舶 、手机和卫生设备 等产品的设计过程 中。 参照施法 中 和朱心雄 关于 A级 曲面特征 的介绍 ，可以将 A级 曲面定义 为： 1 ) 大 的曲面片 是全 凸的，即不存在奇异 多余的拐点 ； 2 )曲率变 化分布均匀； 3 ) 曲面满足 G ( 曲率) 连续或者以上 ； 4 ) 应变能最小。 目前 ，大多数三维 C AD系统均采用 B S p l i n e 方法 构建空间 曲线和空 间曲面。空 间 B S p l i n e曲 线的参数方程表示为： P = t ( 1 ) 式 ( 1 )中 U “ U ，2 d n +l ，P k 为第 1, , I - 控 制点 ， B ( “ ) 为基 函数 ， n 为 空间 B S p l i n e 曲线 的次数 。 可以递推为： 川 1 o ( 2 ) ， ( “ ) = ( “ ) + B k + l ,d -1( “ )( 3 ) 甜 + l一“ + U f +l 式 ( 3 ) 中 U 为节点值 ，如果节点值为等间距， 则对应均匀 B S p l i n e曲线；如不 等距 则对应非均 匀 B S p l i n e曲线 。 k h ( k h ， h m) 阶的空 间 B S p l i n e曲面的 表示形式如下 ： 9 6 1 第3 4 卷第9 期2 0 1 2 9 ( 下) 尸 ， = ， ， u ) B s h ( 4 ) i = O j = o 式( 4 )中 u 川 U + l ，v v u ， B址( U ) ， 7 ， ( v ) ，分 别是关于节点 向量 U ，v的 k阶 和 h阶 B样 条 曲线 的基 函数 。 3 驾驶室曲面建模 3 1 结构特点 与 C R H 2 、C R H3 8 0 A等车型相比较 ，C R HI A 型动车组的驾驶室流线型长 度整体较短 ，鼻部 比 较平缓 ，无明显突起 ，通常将此种类型的动车组 驾驶室形状称为准流线型头 部。在不影响强度的 前提下 ，为 了达到减轻运载 负荷 的 目的 ，C R HI A 型动车组的驾驶室采用高强度型材骨架与铝合金 板 分块蒙皮 的方 式制作而成。整体 上，驾驶室 曲 面可以分为正面 、侧围、正面 与侧 围的过渡和导 流板四部分 。 3 。 2 正面建模 C RH1 A型动车组驾驶室的正 面包括鼻部 、前 窗、鼻部与前 窗的过 渡、车顶这 四个 曲面 ，其 中 鼻部在导流板的上方 ，是气流上下 、左右流动的 分界处 ；前窗的形式为单 扇柱 面玻璃 ；鼻部与前 窗之 间的过渡是一个变化平缓 的曲面。驾驶室正 面 建 模 时 采 用 分 段 扫 略 后拼 接 的 方 法 ，且 所 有 的 曲线须进行光顺处理。为 了便于后续的 曲面质量 分析 ，前窗暂不做挖空处理 。创建完毕后驾驶室 正 面 曲面如 图 1所示 。 图1 驾驶室正面曲面模型 3 3 侧围建模 C R H1 A动车组 的驾驶室侧围是空气左右流动 的必经之处 ，为了减小空气阻力，从驾驶室与车 辆 的 衔 接 处 开 始 ，一 直 到其 鼻 部 ，整 个 曲面 呈 收 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 、l 訇 化 图8 驾驶 室过 渡曲面多截面 曲率梳 图 曲率梳如图 8所示。 通过 图 8可 以看 出，驾驶室过 渡曲面的各截 面 曲率梳都 是单 凸的，这与设 计要求 是吻合 的 ， 另外 曲率梳形状变化也呈现 出一定 的规律性 ，说 明分块桥接的曲面质量良好。 4 3 高斯曲率评价法 空间曲面在一点具有一 条法线，通过该 法线 的平面 有无数 多个 ，每一个平 面与曲面都 有一条 交线 ，所有的交线在该点处 的曲率通 常是不 相等 的。一般 将所有 曲率绝对值 的最大值称为最 大曲 率 ，用 k 表 示；所 有曲率绝对值 的最小值称 为 最小 曲率，用 i 表示，高斯 曲率 K= k m 。 k m i 。 A级 曲面的高斯 曲率评价 方法是将 曲面 的高 斯 曲率值与特定 的颜色联 系起 来。曲面某区域 的 高斯 曲率值如果相 同，则该区域的颜色就是一致 的，如果 曲面 上的 曲率有变化 ，则颜色会随之变 化 。C R H1 动车组驾驶室 曲面的高斯 曲率评价结果 如 图 9所 示 。 曲率 m m 图9 驾驶室曲面高斯曲率评价图 从 图 9可 以看 出，驾驶室正 面曲面的高斯 曲 率色标 图颜色变化均匀，过渡 自然，且没有突变 的地方 ，满足 了 G ( 曲率 )连续的条件 ，说明正 面 曲面整体质量已经达到 了 A级 曲面的标准；对 于正面与侧 围的过渡 曲面 ，其颜色没有变化 ，说 明其高斯曲率值是处处相等的 ；侧 围曲面的高斯 曲率值 有突变 的现象 ，说 明侧 围曲面不是 A级 曲 面，这与等照度线评价的结论是吻合的。 5 结论 C A T I A V 5具有强大的曲面混合创建与编辑功 能 ，C R H1 动车组驾驶室曲面模型创建完毕后，应 及时应用多种 曲面质量分析方法对其进行质量分 析 ，确 定 曲面应符合 的质量标准。经 对 C R H1 动 车组驾驶室 曲面模型的质量分析 ，说明其正面 曲 面已经达 到 A级 曲面的标准，正面与侧围的过渡 曲面衔接 良好 ，而侧 围曲面 因具有结构的特殊性， 未达到 A级 曲面的标准 ，当然这是实际情况的需 要 ，体 现 了真 正 的设计 意 图 。C R H1 动 车组 驾驶 室 曲面模型 的创建与 曲面质量分析对于后续的列车 流场数值计算 、模型风洞试验、外板模具制造 具 有重要意义 。本文 只侧重介 绍了 C RH1 动 车组 驾 驶室 曲面创建与质量分析方法 ，而对后续的流 场 计算、外板模具加 工、安装 与焊 接等问题仍 有待 于做进一步的研究。 参考文献 ： 1 】田红旗 列 车 空气动 力学 【 M】 北京 ： 中 国铁 道 出版社 ， 2 00 7 【 2 】张国忠， 赖征海 汽车空气动力学与车身造型研究最新 进展 J 沈 阳大学学报 ， 2 0 0 5 ， 1 7 ( 6 ) ： 3 9 4 4 【 3 】马铁利， 林逸 车身C l a s s A曲面模型的构造 J 汽车技 术， 2 0 0 4 ( 9 ) ： 1 9 2 2 【 4 】武振锋 ， 贾 凡 基 于C A T I A的轿车 前翼子板 曲面造型与 质量分析【 J 汽车技术， 2 0 1 1 ( 1 ) ： 5 4 - 5 6 【 5 】Re da Hs a k o uCu r v a t u r e：t h e r e l e v a n t c r i t e r i o n f o r Cl a s s A s u r f a c e q u a l i t y J J o u r n a l o f J EC c o mp o s i t e s ma g a z i n e ， 2 0 0 6 ， 2 3 ( 3 ) ： 1 0 5 1 0 8 6 】武振锋， 贾凡 谢 坤， 等 三厢轿 车后背 门曲面创 建与质 量分析 J 机 械设计， 2 0 1 1 ( 1 1 ) ： 6 8 7 1 【 7 】施 法 中 计算机 辅助 几何设计 与非均 匀有理B 样 条【 M】 北京 ： 高等教育 出版社 ， 2 0 0 1 8 】朱心 雄 自由曲线 曲面造 型技术【 M】 北京 ： 科学 出版社 ， 2 00 0 第3 4 卷第9 期2 0 1 2 - 9 ( 下) 9 9 1 8 8 9 6 7 5 O 7 3 l 7 6 5 4 3 2 1 O 0 O O O O 0 O O O O 0 O O O O O O O O 0 O O + 圃_ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m