高速機(jī)車(chē)風(fēng)擋玻璃格柵模設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

宋玉旺， 楊昌昊， 石曉飛， 席 平

（1. 華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206；2. 中國(guó)空間技術(shù)研究院總體部，北京 100621；3. 北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

高速機(jī)車(chē)風(fēng)擋玻璃格柵模設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

宋玉旺1， 楊昌昊2， 石曉飛3， 席 平3

（1. 華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206；2. 中國(guó)空間技術(shù)研究院總體部，北京 100621；3. 北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

作為一種品種多而批量小的熱彎成型曲面夾層玻璃，高速機(jī)車(chē)風(fēng)擋玻璃要滿足氣動(dòng)性、可視性和安全性等要求，模具設(shè)計(jì)是縮短研發(fā)周期和降低研發(fā)成本的關(guān)鍵技術(shù)之一。從精度、重量和成本三方面對(duì)比分析了實(shí)心模、空心模和格柵模，選格柵模為熱彎成型模具?；谕ㄓ肅AD平臺(tái)的設(shè)計(jì)方式，導(dǎo)致格柵模的設(shè)計(jì)工作具有較高的復(fù)雜度和重復(fù)度。為了提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，首先，在考慮熱彎成型工藝的基礎(chǔ)上，提出并實(shí)現(xiàn)格柵?；矫娴拇_定和轉(zhuǎn)正方法，給出方法的流程圖和具體數(shù)學(xué)公式，以及實(shí)例和數(shù)據(jù)。其次，通過(guò)輸入起止位置和型線數(shù)目實(shí)現(xiàn)型線自動(dòng)提取、編號(hào)和記錄，規(guī)范型線提取流程，給出型線提取實(shí)例。最后，基于上述關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用設(shè)計(jì)軟件，成功應(yīng)用于北京明盾技術(shù)有限公司系列高速機(jī)車(chē)風(fēng)擋玻璃研制，給出了格柵模和風(fēng)擋玻璃的實(shí)例，初步驗(yàn)證了方法的有效性和軟件的實(shí)用性。

格柵模；風(fēng)擋玻璃；曲面；幾何變換；高速機(jī)車(chē)

為滿足氣動(dòng)性、可視性和安全性等要求，安裝在高速機(jī)車(chē)前方的風(fēng)擋玻璃，一般為大尺寸的曲面夾層玻璃。對(duì)于時(shí)速350公里的高速機(jī)車(chē)，其風(fēng)擋玻璃的空氣阻力占總阻力的80%～90%[1]。為滿足氣動(dòng)要求，風(fēng)擋玻璃的形狀與高速機(jī)車(chē)整體氣動(dòng)外形相適應(yīng)。在滿足鳥(niǎo)撞、鋁彈、高壓等沖擊強(qiáng)度要求基礎(chǔ)上，風(fēng)擋玻璃還要求具有優(yōu)良的可視性，即大視角、高透光率、電加熱除霜、無(wú)光畸變等。

模具設(shè)計(jì)是曲面夾層玻璃研制的關(guān)鍵技術(shù)之一。曲面夾層玻璃，基于高溫爐和模具加熱彎曲成型，其研制技術(shù)還包含沖擊計(jì)算與模擬和熱彎成型工藝等。在實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化之前，高速機(jī)車(chē)風(fēng)擋玻璃價(jià)格昂貴，其研制技術(shù)被法國(guó)的圣戈班、德國(guó)的西門(mén)子、日本的川崎重工等公司所壟斷，并形成技術(shù)壁壘。國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)集中在以飛機(jī)和汽車(chē)為應(yīng)用背景的沖擊力學(xué)計(jì)算和有限元建模與分析的數(shù)值模擬研究[2-11]。針對(duì)熱彎成型工藝，Daoudi等[12]提出了曲面夾層玻璃的加熱、保溫和降溫的溫度控制算法，卻未提及模具設(shè)計(jì)。為替代國(guó)外產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，作者與北京明盾技術(shù)有限公司合作采用格柵模熱彎成型高速機(jī)車(chē)風(fēng)擋玻璃。高速機(jī)車(chē)風(fēng)擋玻璃品種多而批量小，縮短研發(fā)周期和降低研發(fā)成本尤為重要。而格柵模的設(shè)計(jì)工作難度大、強(qiáng)度高、周期長(zhǎng)，一度成為研發(fā)的技術(shù)瓶頸。

為了讓曲面夾層風(fēng)擋玻璃的各層玻璃彎曲變形均勻一致，除合理的溫度控制工藝[12]之外，還應(yīng)縮短平面玻璃至模具的變形距離，實(shí)現(xiàn)成型拱高最小。風(fēng)擋玻璃彎曲變形的均勻一致對(duì)其成型后的變形和應(yīng)力云紋的均勻一致至關(guān)重要，對(duì)可視性、氣動(dòng)性能和抗沖擊性等方面具有直接的影響[13]。為實(shí)現(xiàn)成型拱高最小，首先，從位于機(jī)車(chē)絕對(duì)坐標(biāo)系下的風(fēng)擋玻璃曲面的三維模型中獲取模具型面，高速機(jī)車(chē)車(chē)頭以及風(fēng)擋玻璃如圖1所示；其次，確定模具型面的成型基平面，簡(jiǎn)稱(chēng)基平面；最后，通過(guò)系列幾何變換將位于機(jī)車(chē)絕對(duì)坐標(biāo)系下基平面調(diào)整至第一象限且與 XOY面平行。

基于通用CAD平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者需要多次自行計(jì)算幾何變換參數(shù)并交互式的進(jìn)行幾何變換來(lái)調(diào)整曲面模型的位置和姿態(tài)，難以實(shí)現(xiàn)成型拱高最小且工作繁瑣；在獲取 X向和 Y向的模具型線時(shí)，也需多次手動(dòng)切割模具型面并編號(hào)，工作量大且重復(fù)度高。若設(shè)計(jì)過(guò)程出現(xiàn)反覆或設(shè)計(jì)結(jié)果需要調(diào)整，設(shè)計(jì)工作尤其復(fù)雜。因此，研究格柵模的設(shè)計(jì)技術(shù)并開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)軟件以提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，十分必要。

圖1 高速機(jī)車(chē)風(fēng)擋玻璃

1 格柵模設(shè)計(jì)過(guò)程

高速機(jī)車(chē)前風(fēng)擋玻璃，均為多層熱彎成型的曲面夾層玻璃，且曲面為凸曲面。曲面夾層玻璃，是將整套多層玻璃整體疊片熱彎成型，即將電加溫玻璃所需幾層單片玻璃一次熱彎成型。這種工藝可保證各層玻璃之間形狀吻合一致，克服了玻璃由于逐一熱彎成型而導(dǎo)致相互之間存在間隙的弊端。

本文采用格柵模來(lái)熱彎成型高速機(jī)車(chē)前風(fēng)擋玻璃。風(fēng)擋玻璃的熱彎模具，一般可分為實(shí)心模、空心模、格柵模3種。采用實(shí)心模，模具的毛坯及其成品的重量較大，加工難度和成本較高，還容易產(chǎn)生麻點(diǎn)。采用空心模，加工難度和成本較低，但操作要求較高，且風(fēng)擋玻璃的曲面精度難于控制。而介于實(shí)心模和空心模之間的格柵模，與實(shí)心模相比，加工簡(jiǎn)單、成本低；與空心模相比，操作要求較低、精度高，適合于大尺寸和大拱高曲面玻璃的熱彎成型。格柵模的設(shè)計(jì)工藝流程如圖2所示。具體過(guò)程是：①對(duì)位于機(jī)車(chē)空間中某位置和某姿態(tài)的三維機(jī)車(chē)風(fēng)擋玻璃曲面，經(jīng)過(guò)基平面確定和轉(zhuǎn)正，將曲面平移和旋轉(zhuǎn)至模具設(shè)計(jì)空間，即第一象限，且曲面上凸；同時(shí)，定義型線切割方向。②對(duì)設(shè)計(jì)空間中的風(fēng)擋玻璃曲面，進(jìn)行X向和Y向的平面型線數(shù)據(jù)提取，即求平面與曲面的交線。③基于上述型線

數(shù)據(jù)，加工出模具的型板，一般可采用激光切割、高壓水刀、線切割等加工工藝，較實(shí)心模相比，大大降低加工成本。

圖2 格柵模設(shè)計(jì)流程

2 風(fēng)擋玻璃的熱彎成型工藝

從材料成型的角度來(lái)講，玻璃完成由平板到曲面的成型過(guò)程，就是玻璃中間層作純彎曲的過(guò)程?；诟駯拍５娘L(fēng)擋玻璃熱彎成型工藝方案，如圖3所示。熱彎成型前，需要根據(jù)玻璃曲面的最內(nèi)層曲面逐一偏置求出各中間層曲面，然后展開(kāi)各曲面下料。以五層熱彎成型的夾層玻璃為例，其結(jié)構(gòu)如圖 4 所示[3]，總厚度為：

三層玻璃的厚度分別為 Δ l1、 Δ l3和 Δ l5，兩層有機(jī)材料，厚度分別為 Δ l2和 Δ l4。

（1）曲面偏置：由設(shè)計(jì)單位給出的玻璃曲面的最內(nèi)層曲面Sn，依次向外偏置，令偏置距離依次為：可分別得到頂層玻璃曲面St、中間層玻璃曲面 Sm和底層玻璃曲面 Sb；由最內(nèi)層曲面 Sn，再令偏置距離依次為可分別得中間有機(jī)材料層曲面Sy1和Sy2。

（2）玻璃下料：對(duì)各曲面分別展開(kāi)，可得到各層曲面玻璃和有機(jī)材料加工前的二維輪廓，即下料圖樣。曲面展開(kāi)可基于 UG、Catia、Dynaform等軟件實(shí)現(xiàn)。展開(kāi)后的二維幾何輪廓模型，可轉(zhuǎn)存為自動(dòng)下料機(jī)可識(shí)別的AutoCAD R12版本“*.dwg”或“*.dxf”文件，用于玻璃和玻璃間填充有機(jī)材料的下料。格式轉(zhuǎn)換過(guò)程中，應(yīng)注意國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位(mm)與英制單位(inch)間的換算。

（3）加熱成型：玻璃印網(wǎng)后，上模具加溫，一般在到560～650℃之間；固體的玻璃變?yōu)椴ＡB(tài)后，待平面玻璃逐步軟化流淌至模具面，則切斷電源完全停止加熱，停止繼續(xù)加熱保持10～15 min的恒溫；直至曲面玻璃與模具一起自然冷卻。合理的溫度控制工藝，關(guān)鍵在于保證疊片多層玻璃弧面精度，盡量要依靠玻璃自身重力自然成型，減少玻璃成型時(shí)輔助外力作用。

圖3 基于格柵模的風(fēng)擋玻璃熱彎成型工藝

圖4 五層熱彎成型夾層玻璃結(jié)構(gòu)

3 基平面確定和轉(zhuǎn)正方法

3.1 方法概述

高速機(jī)車(chē)風(fēng)擋玻璃曲面為三邊、四邊或多邊域凸曲面。為實(shí)現(xiàn)曲面拱高最小，本文提出并實(shí)現(xiàn)了格柵模的基平面確定和轉(zhuǎn)正方法，其流程如圖5所示，下面詳述基平面確定和轉(zhuǎn)正方法的詳細(xì)內(nèi)容。

3.2 方法詳述

Step 1.選擇模具型面。選擇最外側(cè)玻璃曲面，并順序（順時(shí)針或逆時(shí)針）選擇曲面邊界上的4個(gè)點(diǎn)：P1、P2、P3和P4，如圖6所示。選擇的模具型面以及點(diǎn)P1、P2、P3和P4需要經(jīng)幾何變換 TT，見(jiàn)式(1)。

其中，TM1、TM2是平移變換矩陣，TR1、TR2、 TR3是旋轉(zhuǎn)變換矩陣， TMR鏡像變換矩陣。其具體變換過(guò)程，詳見(jiàn)Step3～Step9。

圖6 曲面和邊界點(diǎn)選擇

Step 2.確定基平面。為了便于確定高速機(jī)車(chē)風(fēng)擋玻璃的熱彎成型工藝的檢測(cè)基準(zhǔn)，在點(diǎn)P1、P2、P3和 P4中，依次計(jì)算其中一點(diǎn)與其他三點(diǎn)所確定的臨時(shí)平面之間的距離，以距離最短的臨時(shí)平面作為基平面?？芍?，過(guò)點(diǎn)P1、P2、P4平面的方程為：

當(dāng)以P1為O′時(shí)，P3至平面P1P2P4的距離為而按照類(lèi)似方法可以求得 d2、 d3和 d4。

另外兩點(diǎn)P2和P3，則需要通過(guò)計(jì)算，來(lái)確定它們與X′和Y′的具體對(duì)應(yīng)關(guān)系。假定P2和P3與′和′依次對(duì)應(yīng)，令為了保證整個(gè)玻璃曲面位于基平面的正上方，取玻璃曲面上一點(diǎn)PS，計(jì)算得到點(diǎn)PS至基平面的距離；如果距離與方向相反，則點(diǎn)P2和P3與點(diǎn)Y′和X′依次對(duì)應(yīng)。

Step 3.第一次平移。檢查是否成立，其中 et＞0，為CAD系統(tǒng)中建模精度數(shù)值，一般可取0.001 mm。如果不成立，則無(wú)需平移；此時(shí)O′與絕對(duì)坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)O點(diǎn)重合。

圖7 計(jì)算d1至 d4

否則，需做 TM1平移變換，令O′與絕對(duì)坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)O點(diǎn)重合。平移矢量為 O- O'，平移變換矩陣 TM1如式(3)所示。

做TM1平移變換后，點(diǎn)X'( x',y',z')變換至點(diǎn)二者對(duì)應(yīng)的齊次坐標(biāo)可表示為和由上式可知，

Step 4.第一次旋轉(zhuǎn)。檢查是否成立，如果不成立，則當(dāng)前點(diǎn) XM1(xXM1,yXM1,zXM1)即為XR1(xR1,yR1,zR1)，無(wú)需做旋轉(zhuǎn)變換 TR1。

同時(shí)，《指導(dǎo)意見(jiàn)》提出要從10個(gè)方面強(qiáng)化各項(xiàng)到村到戶(hù)到人的精準(zhǔn)幫扶舉措，包括：加大產(chǎn)業(yè)扶貧力度，全力推進(jìn)就業(yè)扶貧，深入推動(dòng)易地扶貧搬遷，加強(qiáng)生態(tài)扶貧，著力實(shí)施教育脫貧攻堅(jiān)行動(dòng)，深入實(shí)施健康扶貧工程，加快推進(jìn)農(nóng)村危房改造，強(qiáng)化綜合性保障扶貧，開(kāi)展貧困殘疾人脫貧行動(dòng)，開(kāi)展扶貧扶志行動(dòng)。

否則，需做 TR1旋轉(zhuǎn)變換，目標(biāo)是將X′繞Z軸旋轉(zhuǎn)至與絕對(duì)坐標(biāo)系下 XOZ面重合。旋轉(zhuǎn)變換矩陣 TR1如式(4)所示。

其中，

做 TR1旋轉(zhuǎn)變換后，點(diǎn)變換至點(diǎn)，二者對(duì)應(yīng)的齊次坐標(biāo) 可 表 示 為和， 由上 式可知 ，其中，

Step 5.第二次旋轉(zhuǎn)。檢查是否成立，如果不成立，則當(dāng)前點(diǎn) XR1(xXR1,yXR1,zXR1)即為XR2(xXR2,yXR2,zXR2)，無(wú)需做旋轉(zhuǎn)變換 TR2。

否則，需做 TR2旋轉(zhuǎn)變換，目標(biāo)是將 X′繞 Y軸旋轉(zhuǎn)至與絕對(duì)坐標(biāo)系下OX軸重合。旋轉(zhuǎn)變換矩陣 TR2如式(5)所示。

其中，

做 TR2旋轉(zhuǎn)變換后，點(diǎn)變換至點(diǎn)二者對(duì)應(yīng)的齊次坐標(biāo)可表示為和則其中，且

否則，需做 TR3旋轉(zhuǎn)變換，目標(biāo)是將 Y′繞 X軸旋轉(zhuǎn)至絕對(duì)坐標(biāo)系下的 XOY面上，使得曲面位于絕對(duì)坐標(biāo)系下的第一象限。旋轉(zhuǎn)變換矩陣TR3如式(6)所示。

其中，

Step 7.計(jì)算最大拱高Hmax，即曲面此時(shí)的最高點(diǎn) PH(XH,YH,ZH)?？赏ㄟ^(guò)計(jì)算位于曲面之上的一平面與玻璃曲面的最小距離來(lái)確定其最高點(diǎn)。

具體方法是：①先得到玻璃曲面的最小包圍盒，則可得到兩個(gè)點(diǎn)，分別是 Pmin(Xmin,Ymin,Zmin)和Pmax(Xmax,Ymax,Zmax)，取 Zf=Zmax-Zmin；②創(chuàng)建一臨時(shí)平面DPh與XOY平面平行，Ph位于XOY平面之上距離為 Zf+Ze，其中 Ze=Zf/5；③得到臨時(shí)平面DPh與玻璃曲面之間的最小距離點(diǎn) PH(XPH,YPH,ZPH)，則ZPH為玻璃曲面的最大高度，即最大成型拱高；④刪除臨時(shí)平面DPh。

Step 8.鏡像變換。經(jīng)XOY面鏡像變換 TMR后，令曲面下凸，即開(kāi)口向上。鏡像變換矩陣 TMR如式(7)所示。

Step 9. 第二次平移。設(shè)定模具安全高度HS，根據(jù)計(jì)算出的曲面最大高度Hmax，確定平移距離為 HM=HS+Hmax經(jīng)過(guò)平移變換 TM2，使得曲面完全位于第一象限。平移變換矩陣 TM2如式(8)所示。至此， TT可完全求解。

3.3 方法應(yīng)用實(shí)例

以某型機(jī)車(chē)擋風(fēng)玻璃為例：

Step 1.如圖8(a)所示，高速機(jī)車(chē)擋風(fēng)玻璃研制單位所獲得的于機(jī)車(chē)坐標(biāo)系內(nèi)的三維玻璃曲面；

Step 2.計(jì)算基平面，各點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖8(b)所示；

Step 3.TM1第一次平移，平移矢量為：(367.544,1094.672,1823.429)，平移后如圖 8(c)所示；

Step 4.TR1第一次旋轉(zhuǎn)，繞 Z軸旋轉(zhuǎn)角度α1=88.276，旋轉(zhuǎn)后如圖8(d)所示，點(diǎn)XR1與OX軸不重合；

Step 5.TR2第二次旋轉(zhuǎn)，繞 Y軸旋轉(zhuǎn)角度α2=0.217，旋轉(zhuǎn)后如圖8(e)所示，點(diǎn)XR1與OX軸重合；

Step 6.TR3第三次旋轉(zhuǎn)，繞 X軸旋轉(zhuǎn)角度α3=358.707，旋轉(zhuǎn)后如圖8(f)所示，點(diǎn)YR3與XOY面重合；

Step 7.計(jì)算拱高，曲面最大成型拱高為205.634，PH(673.089, 508.007 205.634)，如圖8(g)所示；

Step 8.TMR鏡像變換，以XOY面做鏡像變換，鏡像后，如圖8(h)所示；

Step 9.TM2第二次平移，若安全高度取150，則第二次平移矢量為 (0,0,355.634)，如圖 8(i)所示。各點(diǎn)幾何變換過(guò)程中的數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1。

圖8 轉(zhuǎn)正前后的玻璃曲面

表1 模具轉(zhuǎn)正過(guò)程中各點(diǎn)信息

4 型線切割

型線切割分為X向切割和Y向切割。

X向切割時(shí)，型線通過(guò)垂直于X軸（即平行于YOZ平面）的切割平面與轉(zhuǎn)正的玻璃曲面求交而獲得。為了在進(jìn)行連續(xù)幾組切割時(shí)，在切割區(qū)間邊界上，切割型線即不重合、又恰好連續(xù)，可設(shè)定切割區(qū)間和切割平面數(shù)ni。其中，xsi為起始位置，xei為終止位置，i=1,…, nx，nx為X向切割組數(shù)。則切割間距dxi可表示為：

由于，Dxi[xsi, xei)左為閉區(qū)間，從xsi開(kāi)始切割，表示切割面的起始位置，為第一條型線開(kāi)始的位置；右為開(kāi)區(qū)間，表示切割面的位置未到xei，最后一個(gè)切割型面的實(shí)際位置可表示為：

可知，第i組X向切割的實(shí)際型線數(shù)為ni-1。

Y向型線切割時(shí)，型線通過(guò)垂直于Y軸（即平行于 XOZ平面）的切割平面與轉(zhuǎn)正的玻璃曲面求交而獲得。對(duì)于輸入切割區(qū)間Dyi[ysi, yei) 和切割平面數(shù)mi。其中，ysi為起始位置，yei為終止位置，i=1,…, my, my為Y向切割組數(shù)。類(lèi)似地，可有：

基于上述功能，可以切割不同密度的型線。

X向、Y向型線切割的實(shí)例如圖9所示，X向型線切割4組，Y向型線切割3組。其中，xs1=xYM2，xe1=xs2=xOM2，xe2=xs3=xPH，xe3=xs4=xLM2，xe4=xXM2，X向具體切割信息如表 2所示；ys1=yXM2=yOM2，ye1=ys2=yPH，ye2=ys3=yLM2，ye3= yYM2，Y向具體切割信息如表3所示。

圖9 X向、Y向型線切割實(shí)例圖

表2 X 向切割信息

5 軟件功能實(shí)現(xiàn)

基于上述關(guān)鍵技術(shù)，本文基于UG/Open API開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用設(shè)計(jì)軟件，被北京明盾技術(shù)有限公司的老中青工程師迅速掌握，成功用于公司CHR2、CHR3、CHR5等系列高速機(jī)車(chē)風(fēng)擋玻璃的研制。軟件使用流程如圖10(a)所示，主界面如圖10(b)所示。

基于該軟件，如圖 11(a)所示，通過(guò)基平面確定和轉(zhuǎn)正方法，將位于機(jī)車(chē)整體坐標(biāo)系的玻璃曲面，變換到絕對(duì)坐標(biāo)系下的第一象限內(nèi)；如圖11(b)所示，可計(jì)算和顯示玻璃曲面的曲面最高點(diǎn)，即最大成型拱高；如圖11(c)所示，可方便快捷的切割模具型線；如圖 12所示，撤銷(xiāo)功能更是給設(shè)計(jì)人員提供了方便。另外，還提供了點(diǎn)查詢(xún)、切割信息查詢(xún)等功能，相關(guān)設(shè)計(jì)信息提示如圖13所示。

表3 Y 向切割信息

基于該軟件設(shè)計(jì)并加工的部分格柵模和風(fēng)擋玻璃，如圖14和15所示，X型線板和Y向型線板采用了格柵嵌鎖工藝[14]。圖14中，對(duì)角點(diǎn)P1和P3直線距離1804mm，最大成型拱高Hmax為102.9 mm。采用該模具成型的曲面夾層風(fēng)擋玻璃試裝成功，證明高速機(jī)車(chē)風(fēng)擋玻璃邊緣處位置精度在1 mm以?xún)?nèi)，滿足裝配工藝要求。

圖10 軟件使用流程與主界面

圖11 軟件界面

圖12 撤銷(xiāo)功能

圖13 型線切割相關(guān)信息

圖14 某機(jī)車(chē)風(fēng)擋玻璃和模具（最大跨距1300 mm）

圖15 某型高速機(jī)車(chē)風(fēng)擋玻璃和模具（最大跨距1500 mm）

6 結(jié)論與展望

本文采用格柵模熱彎成型高速機(jī)車(chē)的曲面風(fēng)擋玻璃，深入研究并解決了影響格柵模設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量的成型基平面確定、轉(zhuǎn)正和型線切割問(wèn)題，完成了以下工作：

（1）總結(jié)了基于格柵模風(fēng)擋玻璃成型工藝和格柵模設(shè)計(jì)方案，在考慮熱彎成型工藝的基礎(chǔ)

上，提出了基平面確定和轉(zhuǎn)正方法，自動(dòng)計(jì)算參數(shù)并幾何變換以實(shí)現(xiàn)成型拱高最小，給出了方法流程圖和具體數(shù)學(xué)公式，并給出了實(shí)例的計(jì)算過(guò)程數(shù)據(jù)。通過(guò)輸入起止位置和型線數(shù)目實(shí)現(xiàn)型線切割、編號(hào)和記錄，規(guī)范了型線切割流程，并給出了切割實(shí)例。

（2）基于上述方法開(kāi)發(fā)的柵格模專(zhuān)用設(shè)計(jì)軟件，提升了設(shè)計(jì)手段，給出了采用本文開(kāi)發(fā)軟件所設(shè)計(jì)的格柵模實(shí)例和曲面風(fēng)擋玻璃實(shí)例。經(jīng)北京明盾技術(shù)有限公司驗(yàn)證，對(duì)于同一車(chē)型風(fēng)擋玻璃的格柵模，手動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)需要3個(gè)工作日，而采用該軟件則僅需 4 h，設(shè)計(jì)效率顯著提高。以對(duì)角尺寸為 1804 mm的曲面風(fēng)擋玻璃的試裝成功為例，其邊緣處的成型精度在1 mm以?xún)?nèi)，滿足裝配工藝要求，初步驗(yàn)證了方法的有效性和軟件的實(shí)用性。

[1] 王東屏, 何正凱, 李明高, 兆文忠. 動(dòng)車(chē)組氣動(dòng)阻力降阻優(yōu)化數(shù)值研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 2011, 33(10):15-18.

[2] Wang Fusheng, Yue Zhufeng. Numerical simulation of damage and failure in aircraft windshield structure against bird strike [J]. Materials and Design, 2010, 31(2): 687-695.

[3] Grimaldi A, Sollo A, Guida M, Marulo F. Parametric study of a SPH high velocity impact analysis – A birdstrike windshield application[J]. Composite Structures, 2013, 96: 616-630.

[4] Heimbs S. Computational methods for bird strike simulations: A review [J]. Computers and Structures, 2011, 89(23-24): 2093-2112.

[5] 于 明, 劉永壽, 李 磊, 岳珠峰. 基于可靠性的飛機(jī)風(fēng)擋玻璃抗鳥(niǎo)撞優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 航空制造技術(shù), 2012, (11): 93-95.

[6] 王文智, 萬(wàn)小朋, 郭 葳. 民機(jī)風(fēng)擋結(jié)構(gòu)抗鳥(niǎo)撞仿真分析與設(shè)計(jì)[J]. 西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 27(4): 481-485.

[7] 黃創(chuàng)盛, 姚 進(jìn). 飛機(jī)風(fēng)擋玻璃彎曲成形回彈數(shù)值模擬[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2010, (12): 183-185.

[8] Hinke L, Pichler L, Pradlwarter H J, Mace B R, Waters T P. Modeling of spatial variations in vibration analysis with application to an automotive windshield [J]. Finite Elements in Analysis and Design, 2011, 47(1): 55-62.

[9] Xu Jun, Li Yibing, Chen Xi, Yan Yuan, Ge Dongyun, Zhu Mengyi, Liu Bohan. Characteristics of windshield cracking upon low-speed impact: Numerical simulation based on the extended finite element method [J]. Computational Materials Science, 2010, 48(3): 582-588.

[10] Timmel M, Kolling S, Osterrieder P, Du Bois P A. A finite element model for impact simulation with laminated glass[J]. International Journal of Impact Engineering, 2007, 34(8): 1465-1478.

[11] 許 駿, 李一兵, 葛東云, 陳 曦, 姚學(xué)鋒, 朱夢(mèng)一. 汽車(chē)聚乙烯醇縮丁醛夾層風(fēng)擋玻璃沖擊響應(yīng)研究綜述[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2011, 47(18): 93-100.

[12] Daoudi J, Irving E, Ports N. Multivariable predictive control of a laminated windshield bending furnace [J]. Control Engineering Practice, 1996, 4(7): 909-914.

[13] 羅 華, 侯 力, 郭祚達(dá), 譚永健. 錐面風(fēng)擋玻璃彎曲成型控制方法[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 39(2): 170-174.

[14] 范華林, 金豐年, 方岱寧. 柵格結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究進(jìn)展[J]. 力學(xué)進(jìn)展, 2008, 38(1): 35-52.

The Key Technology of Lattice Mold Design of Windshield Glasses in High-Speed Train

Song Yuwang1, Yang Changhao2, Shi Xiaofei3, Xi Ping3
(1. School of Energy and Power, Mechanic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. Institute of Spacecraft System Engineering CAST, Beijing 100621, China; 3. School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China)

As one kind of surface laminated glasses with thermal bending process in multiple species and small batch, the windshield glasses in high-speed train need to meet the requirements of aerodynamics, visuality and security. The mold design is one of the key technologies to shorten the development cycle and the cost. The lattice mold is preferred to the solid mold and the frame mold comparing with tolerance, weight and cost. The means of lattice mold design based on the general CAD software, leads to high complexity and repeatability. To enhance the designing efficiency and quality, firstly, the approach to calculate and adjust the basic plane is proposed, elaborated by the chart and exemplified by the example. Secondly, the process to get the mold curves is standardized by inputting the boundary position and the numbers. Thus the mold curves are serialized and saved. Lastly, including the functions of calculating the bending distance and inquiring the corner points, the special software is developed based on the proposed approach, applied by the Beijing MingDun technology Ltd. The pictures of the lattice mold and the corresponding windshield glasses are given, which verify the practicability and effectiveness of the proposed approach and the developed software preliminarily.

lattice mold; windshield glasses; surface; geometric transformation; high-speed train

TP 391.72

A

2095-302X (2014)03-0387-09

2013-11-11；定稿日期：2013-12-28

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目（12QN04）

宋玉旺（1980-），男，黑龍江哈爾濱人，講師，博士。主要研究方向?yàn)閺?fù)雜產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)方法與關(guān)鍵技術(shù)。E-mail：46102492@qq.com