CRH1A型電力動(dòng)車組駕駛室三維曲面設(shè)計(jì)與質(zhì)量分析

武振鋒，趙旭才，李忠學(xué)

WU Zhen-feng, ZHAO Xu-cai, LI Zhong-xue

（蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730070）

0 引言

自2007年4月我國鐵路實(shí)施第6次大范圍提速以來，電力動(dòng)車組開始在我國主干電氣化線路上投入運(yùn)行。動(dòng)車組是一種由自帶動(dòng)力的動(dòng)車和不帶動(dòng)力的拖車，經(jīng)固定編組而成的旅客列車。近年來，我國鐵路通過引進(jìn)、消化、吸收和再創(chuàng)新，形成了“和諧號(hào)”CRH1、CRH2、CRH3和CRH5四種系列9種型號(hào)的國產(chǎn)自主品牌高速電力動(dòng)車組。目前，電力動(dòng)車組以其快速、安全、靈活的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用在我國高速鐵路、客運(yùn)專線、地下鐵道、城市輕軌等領(lǐng)域。

為了滿足不斷提高的運(yùn)行速度，動(dòng)車組必須采用流線型外形設(shè)計(jì)，即要求具有良好的空氣動(dòng)力學(xué)性能。同時(shí)，具有流線化外形的動(dòng)車組也是我國鐵路高速化、現(xiàn)代化形象的具體體現(xiàn)，又因駕駛室位于整列動(dòng)車組的最前端，其設(shè)計(jì)結(jié)果將會(huì)對(duì)動(dòng)車組整體產(chǎn)生重要影響[1]。因此，設(shè)計(jì)制造出曲面流暢、造型美觀又符合空氣動(dòng)力學(xué)要求的動(dòng)車組駕駛室外形已經(jīng)成為鐵路機(jī)車車輛領(lǐng)域科研人員所關(guān)注的焦點(diǎn)問題。近年來，研究人員對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行曲面造型與質(zhì)量分析的研究主要集中在了汽車領(lǐng)域，具體包括車身整體[2]、發(fā)動(dòng)機(jī)罩[3]、前翼子板[4]、前后車門[5]、后背門[6]以及保險(xiǎn)杠上，而對(duì)動(dòng)車組駕駛室進(jìn)行三維設(shè)計(jì)及曲面質(zhì)量分析文獻(xiàn)相對(duì)較少。本文將利用CATIA V5軟件，完成CRH1A型電力動(dòng)車組駕駛室三維曲面設(shè)計(jì)，并分別應(yīng)用等照度線、多截面曲率梳、高斯曲率等評(píng)價(jià)方法對(duì)駕駛室曲面質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，進(jìn)而使其具有更強(qiáng)的操作性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 CRH1A型電力動(dòng)車組簡(jiǎn)介

CRH1A是為了滿足我國鐵路第6次大提速的需要，由青島四方龐巴迪鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司制造的高速電力動(dòng)車組。該型號(hào)動(dòng)車組持續(xù)運(yùn)營速度為200公里/小時(shí)，最大運(yùn)營速度為250公里/小時(shí)。整車采用交-直-交傳動(dòng)形式，編組方式為全列8節(jié)，包括5節(jié)動(dòng)車及3節(jié)拖車。CRH1A型動(dòng)車組總長213.55m，頭車（含駕駛室）長度為26.95m，中間車長度為26.60m，車體寬度3.328 m，車體高度為4.04 m。隨著產(chǎn)品的不斷交付使用，CRH1A型動(dòng)車組先后運(yùn)行在廣深鐵路、武廣客專、廣珠城軌、武九鐵路、達(dá)成鐵路等線路上。

2 CATIA與A級(jí)曲面

2.1 關(guān)于CATIA

CATIA是法國Dassault System公司開發(fā)的CAD/CAE/CAM一體化軟件，具有強(qiáng)大的三維實(shí)體建模、曲面創(chuàng)建、參數(shù)化混合建模、工程分析、產(chǎn)品裝配、虛擬加工、數(shù)據(jù)管理等功能。CATIA提供了全新的產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)模式，其優(yōu)越性大大高于傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)軟件，可以提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和降低開發(fā)成本，為新產(chǎn)品快速占領(lǐng)市場(chǎng)提供了有力保證。正因?yàn)镃ATIA軟件的上述優(yōu)點(diǎn)，目前該軟件在航空航天、汽車、船舶、儀器儀表等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，且多數(shù)是V5版本。

2.2 A級(jí)曲面的定義

A級(jí)曲面（Class A Surface）首先是由Dassault System公司在開發(fā)CATIA軟件包時(shí)提出并付諸應(yīng)用的，專指既滿足幾何光滑要求，又滿足審美需求的曲面。最初A級(jí)曲面主要應(yīng)用在汽車車身模型中，隨著人們對(duì)A級(jí)曲面認(rèn)知程度的提高，目前其已廣泛應(yīng)用在飛機(jī)、船舶、手機(jī)和衛(wèi)生設(shè)備等產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中。

參照施法中[7]和朱心雄[8]關(guān)于A級(jí)曲面特征的介紹，可以將A級(jí)曲面定義為：1）大的曲面片是全凸的，即不存在奇異多余的拐點(diǎn)；2）曲率變化分布均勻；3）曲面滿足G2（曲率）連續(xù)或者以上；4）應(yīng)變能最小。

目前，大多數(shù)三維CAD系統(tǒng)均采用B-Spline方法構(gòu)建空間曲線和空間曲面?？臻gB-Spline曲線的參數(shù)方程表示為：

式（1）中umin≤u≤umax，2≤d≤n+1，Pk為第k個(gè)控制點(diǎn)，Bk,d(u)為基函數(shù)，n為空間B-Spline曲線的次數(shù)。

可以遞推為：

式（3）中uk為節(jié)點(diǎn)值，如果節(jié)點(diǎn)值為等間距，則對(duì)應(yīng)均勻B-Spline曲線；如不等距則對(duì)應(yīng)非均勻B-Spline曲線。

k×h(k≤h, h≤m)階的空間B-Spline曲面的表示形式如下：

式（4）中 uk-1≤ u≤ um+1，vn-1≤ v≤ un+1，Bi,k(u)，Bj,h(v)， 分別是關(guān)于節(jié)點(diǎn)向量 u，v的 k階和h階B樣條曲線的基函數(shù)。

3 駕駛室曲面建模

3.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

與CRH2、CRH380A等車型相比較，CRH1A型動(dòng)車組的駕駛室流線型長度整體較短，鼻部比較平緩，無明顯突起，通常將此種類型的動(dòng)車組駕駛室形狀稱為準(zhǔn)流線型頭部。在不影響強(qiáng)度的前提下，為了達(dá)到減輕運(yùn)載負(fù)荷的目的，CRH1A型動(dòng)車組的駕駛室采用高強(qiáng)度型材骨架與鋁合金板分塊蒙皮的方式制作而成。整體上，駕駛室曲面可以分為正面、側(cè)圍、正面與側(cè)圍的過渡和導(dǎo)流板四部分。

3.2 正面建模

CRH1A型動(dòng)車組駕駛室的正面包括鼻部、前窗、鼻部與前窗的過渡、車頂這四個(gè)曲面，其中鼻部在導(dǎo)流板的上方，是氣流上下、左右流動(dòng)的分界處；前窗的形式為單扇柱面玻璃；鼻部與前窗之間的過渡是一個(gè)變化平緩的曲面。駕駛室正面建模時(shí)采用分段掃略后拼接的方法，且所有的曲線須進(jìn)行光順處理。為了便于后續(xù)的曲面質(zhì)量分析，前窗暫不做挖空處理。創(chuàng)建完畢后駕駛室正面曲面如圖1所示。

圖1 駕駛室正面曲面模型

3.3 側(cè)圍建模

CRH1A動(dòng)車組的駕駛室側(cè)圍是空氣左右流動(dòng)的必經(jīng)之處，為了減小空氣阻力，從駕駛室與車輛的銜接處開始，一直到其鼻部，整個(gè)曲面呈收縮過渡狀，所以在建模時(shí)須分塊并逐一進(jìn)行處理，另外駕駛室左右方向的側(cè)圍是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，只需創(chuàng)建一側(cè)模型，安裝時(shí)進(jìn)行鏡像即可?？紤]到便于制造和安裝的因素，駕駛室的側(cè)窗為平面玻璃。創(chuàng)建完畢后的駕駛室側(cè)圍曲面如圖2所示。

圖2 駕駛室側(cè)圍曲面模型

3.4 正面與側(cè)圍的過渡曲面建模

根據(jù)側(cè)圍的分塊情況，CRH1A動(dòng)車組的駕駛室正面與側(cè)圍之間的過渡也須分塊進(jìn)行處理，兩曲面間按曲率連續(xù)進(jìn)行光順圓弧過渡。同樣根據(jù)駕駛室的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。只需創(chuàng)建一側(cè)過渡曲面，安裝時(shí)可按鏡像處理。創(chuàng)建完畢后的過渡曲面如圖3所示。

圖3 駕駛室正面與側(cè)圍的過渡曲面

3.5 導(dǎo)流板建模

駕駛室的導(dǎo)流板位于鼻部曲面的正下方，其作用是將沖向駕駛室底部的氣流引向駕駛室兩側(cè)，并使駕駛室的底部盡量接近軌面，所以導(dǎo)流板呈流線型的凹槽形狀，創(chuàng)建且經(jīng)鏡像后的導(dǎo)流板曲面如圖4所示。

圖4 駕駛室導(dǎo)流板曲面模型

3.6 曲面裝配

在虛擬環(huán)境下，將以上創(chuàng)建完畢的曲面模型進(jìn)行裝配，另外將建模過程中的空間點(diǎn)和曲線均進(jìn)行了消隱處理，同時(shí)，為了后續(xù)曲面質(zhì)量分析的需要，將原側(cè)窗挖空部分補(bǔ)齊。虛擬裝配完畢后的駕駛室模型如圖5所示。

圖5 駕駛室虛擬裝配模型

4 駕駛室曲面質(zhì)量分析

CRH1A型電力動(dòng)車組駕駛室曲面模型創(chuàng)建完畢后，需對(duì)曲面質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，常用方法包括等照度線、多截面曲率梳和高斯曲率等。

4.1 等照度線評(píng)價(jià)

等照度線評(píng)價(jià)的主要功能是將球面或圓柱面上的等距離的黑色條紋投影到欲分析的曲面上，觀察條紋的變形情況，進(jìn)而分析曲面的質(zhì)量，因?yàn)橥队暗奖环治銮嫔系臈l紋呈黑色，所以該方法也稱為斑馬線法。應(yīng)用等照度線分析工具，得到駕駛室的正面軸測(cè)及側(cè)圍等照度線分別如圖6(a)，(b)所示。

圖6 駕駛室曲面等照度線圖

由圖6(a)可以看出，駕駛室正面曲面的等照度線粗細(xì)均勻，等照度線之間的間隔也非常均勻，同時(shí)也沒有錯(cuò)位，說明該曲面品質(zhì)符合A級(jí)曲面的要求。但圖6(b)中側(cè)圍的等照度線出現(xiàn)了明顯的錯(cuò)位現(xiàn)象，且間隔也不均勻，說明整個(gè)側(cè)圍曲面的曲面質(zhì)量達(dá)不到A級(jí)曲面的要求，當(dāng)然這是由于CRH1A型動(dòng)車組駕駛室結(jié)構(gòu)特殊性所引起的。

4.2 多截面曲率梳評(píng)價(jià)

多截面曲率梳是曲面質(zhì)量分析的重要工具。該方法采用多個(gè)平行平面切割曲面，進(jìn)而分析被測(cè)曲面與平面交線的曲率分布情況。曲率梳是曲線各點(diǎn)處曲率的矢量顯示，通過它可以直觀地評(píng)價(jià)曲線的光順情況，同時(shí)通過在該方向的曲率變化可以看出曲面的品質(zhì)，如曲面的凸凹、曲面的拐點(diǎn)、極大或極小值的分布等。

在駕駛室正面曲面上分別添加平行車輛寬度方向和高度方向的平面，其中寬度方向的平面數(shù)量為4，按等間距50cm布置；高度方向的平面數(shù)量為6，按等間距60mm布置。應(yīng)用多截面曲率梳工具，分別得到駕駛室寬度與高度方向多平面交線的曲率梳圖，如圖7(a)，(b)所示。

圖7 駕駛室正面曲面多截面曲率梳圖

由圖7可以看出，駕駛室正面曲面無論是寬度方向還是高度方向，曲面與多截面交線上各點(diǎn)處的曲率梳都指向曲面同一側(cè)，說明整個(gè)曲面是單凸的。同時(shí)整個(gè)曲面的所有曲率梳均沒有拐點(diǎn)和突變，說明曲面已經(jīng)達(dá)到滿足G2（曲率）連續(xù)，另外曲面的曲率梳形狀變化在寬度和高度方向上均呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，充分說明正面曲面所包括的四個(gè)掃略曲面拼接質(zhì)量良好，以上特點(diǎn)說明駕駛室正面曲面品質(zhì)符合A級(jí)曲面的要求。

對(duì)于駕駛室正面與側(cè)圍的過渡曲面部分，因其也是采取分塊橋接的方法進(jìn)行創(chuàng)建的，所以也需要查看其曲率梳分布情況。駕駛室過渡曲面的曲率梳如圖8所示。

圖8 駕駛室過渡曲面多截面曲率梳圖

通過圖8可以看出，駕駛室過渡曲面的各截面曲率梳都是單凸的，這與設(shè)計(jì)要求是吻合的，另外曲率梳形狀變化也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，說明分塊橋接的曲面質(zhì)量良好。

4.3 高斯曲率評(píng)價(jià)法

空間曲面在一點(diǎn)具有一條法線，通過該法線的平面有無數(shù)多個(gè)，每一個(gè)平面與曲面都有一條交線，所有的交線在該點(diǎn)處的曲率通常是不相等的。一般將所有曲率絕對(duì)值的最大值稱為最大曲率，用kmax表示；所有曲率絕對(duì)值的最小值稱為最小曲率，用kmin表示，高斯曲率K＝kmax·kmin。

A級(jí)曲面的高斯曲率評(píng)價(jià)方法是將曲面的高斯曲率值與特定的顏色聯(lián)系起來。曲面某區(qū)域的高斯曲率值如果相同，則該區(qū)域的顏色就是一致的，如果曲面上的曲率有變化，則顏色會(huì)隨之變化。CRH1動(dòng)車組駕駛室曲面的高斯曲率評(píng)價(jià)結(jié)果如圖9所示。

圖9 駕駛室曲面高斯曲率評(píng)價(jià)圖

從圖9可以看出，駕駛室正面曲面的高斯曲率色標(biāo)圖顏色變化均勻，過渡自然，且沒有突變的地方，滿足了G2（曲率）連續(xù)的條件，說明正面曲面整體質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到了A級(jí)曲面的標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于正面與側(cè)圍的過渡曲面，其顏色沒有變化，說明其高斯曲率值是處處相等的；側(cè)圍曲面的高斯曲率值有突變的現(xiàn)象，說明側(cè)圍曲面不是A級(jí)曲面，這與等照度線評(píng)價(jià)的結(jié)論是吻合的。

5 結(jié)論

CATIA V5具有強(qiáng)大的曲面混合創(chuàng)建與編輯功能，CRH1動(dòng)車組駕駛室曲面模型創(chuàng)建完畢后，應(yīng)及時(shí)應(yīng)用多種曲面質(zhì)量分析方法對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量分析，確定曲面應(yīng)符合的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)對(duì)CRH1動(dòng)車組駕駛室曲面模型的質(zhì)量分析，說明其正面曲面已經(jīng)達(dá)到A級(jí)曲面的標(biāo)準(zhǔn)，正面與側(cè)圍的過渡曲面銜接良好，而側(cè)圍曲面因具有結(jié)構(gòu)的特殊性，未達(dá)到A級(jí)曲面的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)然這是實(shí)際情況的需要，體現(xiàn)了真正的設(shè)計(jì)意圖。CRH1動(dòng)車組駕駛室曲面模型的創(chuàng)建與曲面質(zhì)量分析對(duì)于后續(xù)的列車流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算、模型風(fēng)洞試驗(yàn)、外板模具制造具有重要意義。本文只側(cè)重介紹了CRH1動(dòng)車組駕駛室曲面創(chuàng)建與質(zhì)量分析方法，而對(duì)后續(xù)的流場(chǎng)計(jì)算、外板模具加工、安裝與焊接等問題仍有待于做進(jìn)一步的研究。

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