基于3ds Max的高速鐵路局部地形空氣動力學仿真模型的構建

楊永剛，羅祿林，周朝暉，許建林

(蘭州交通大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

基于3ds Max的高速鐵路局部地形空氣動力學仿真模型的構建

楊永剛，羅祿林，周朝暉，許建林

(蘭州交通大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

局部地形地貌對大風風場下高速列車氣動性能及安全運行有重要影響，其三維造型是空氣動力學問題數(shù)值仿真的基礎。基于局部等高線數(shù)據(jù)，采用3ds Max軟件進行了蘭新第二雙線特定區(qū)域的地形地貌三維建模問題的研究，介紹了CFD數(shù)值模擬對三維地形地貌建模的要求，采用的軟件優(yōu)化技術保證了所建模型具有較高的保真度，為今后大風下列車空氣動力學問題的工程評估提供了基礎。

地形地貌 建模 3ds Max 數(shù)值模擬 蘭新第二雙線

在傳統(tǒng)方式下鐵路地形三維場景設計是以二維的平面、縱斷面和橫斷面圖形數(shù)據(jù)為主來表達的，只有掌握專業(yè)知識的人才能看懂或憑借經驗想象出鐵路地形的三維場景［1］，難以直觀地判斷鐵路周圍行車環(huán)境是否安全。隨著我國高速鐵路的建設、運營以及相關空氣動力學研究的深化，在進行大風環(huán)境效應影響的數(shù)值仿真時，需考慮到線路周圍地形的影響才能得出合理的空氣動力效應預測結果。田紅旗［2］提出了列車周圍的局域地形地貌環(huán)境對高速列車性能的影響;牛紀強等［3］對高速列車通過特殊地形地貌——峽谷風區(qū)時的列車的氣動性能進行了研究;周丹、苗秀娟等［4-5］研究了峽谷間距及列車在橋上不同位置時峽谷風對列車氣動性能的影響規(guī)律。

國外，三維可視化技術在20世紀90年代后逐漸在鐵路工程中的地形建模與可視化研究中得到發(fā)展和應用。比較著名的三維可視化系統(tǒng)有英國的MXRoad系統(tǒng)、德國的 CARD/1系統(tǒng)、美國 Intergraph公司的InRoads軟件、Esri的ArcGIS軟件等。

國內，南京李方廣華軟件開發(fā)有限公司的3DROAD軟件使鐵路設計人員在完成鐵路平面、縱斷面、橫斷面設計后，可以快速建立線路、地形、道路工程設施的三維模型，可以從任意角度觀察、顯示設計成果;蔣紅斐等［6］提出了以 DEM為數(shù)據(jù)基礎的方式來建立三維鐵路地形模型;余璨等［7］對GIS的三維地形建模及應用進行了研究;吳超彬［8］對3ds Max地形建模進行了研究;杜研［9］對基于SketchUp的三維地貌建模方法進行了研究。

由于本文中所建的地形要用于后續(xù)的空氣動力學數(shù)值模擬計算，地形模型須符合數(shù)值模擬的要求。數(shù)值模擬要求地形既能符合實際地形，又能夠使地形表面劃分出較高質量的計算網格。復雜、起伏較大、不連續(xù)地形表面給后續(xù)的網格劃分造成困難，而且會出現(xiàn)質量較差的網格，影響數(shù)值計算結果。因此，在盡量保證地形模型符合實際的情況下，須對上述地形進行局部平滑處理，進而劃分出高質量網格。

本文以蘭新第二雙線特定區(qū)域的地形為例，重點闡述了利用已有AutoCAD等高線，使用3ds Max軟件進行三維實體地形建模的方法。

1 蘭新線地理環(huán)境特點

新建蘭新鐵路第二雙線正線全長1 776 km，通過安西風區(qū)、煙墩風區(qū)、百里風區(qū)、三十里風區(qū)、達坂城風區(qū)等五大風區(qū)。風區(qū)長度合計579.599 km，占線路總長的32.6%。百里風區(qū)、三十里風區(qū)的風力最為強勁，部分區(qū)段年均＞8級大風天氣達到208 d，最大風速達60 m/s，相當于17級風。根據(jù)風區(qū)特點，線路分別設置了扶臂式擋風墻、柱板式擋風墻，橋上單(雙)側防風屏、防風明洞等。在新疆段風區(qū)內有隧道、防風明洞、明洞渡槽、鐵路立交明洞、鐵路大橋及高架橋等特殊路況。針對這些防風設施，需要結合地形地貌建立適用于CFD計算的幾何模型。實地考察發(fā)現(xiàn)，不同區(qū)域的地形地貌復雜多樣，局部多處

裂縫，變化劇烈，給空氣動力學問題的數(shù)值模擬帶來極大困難。

2 建模方法

常規(guī)三維地貌模型的建模方式分為表面建模和實體建模。表面建模是通過面的幾何形態(tài)來體現(xiàn)立體結構，著重于對三維空間表面的展示。其優(yōu)點在于數(shù)據(jù)存儲量相對較小，能夠快速建立三維模型，不足之處在于沒有空間分析功能。實體建模則是利用三維實體來創(chuàng)建三維模型，應用三維實體單元(如長方體、圓柱體等)作為模型載體，對各三維實體單元詳細建模，將各實體組合起來，建立三維實體地形。表面模型只能表示物體的表面邊界，而沒有表達出真實屬性如質量、轉動慣量等。在該模型中只有一張面的信息，對物體究竟存在于表面的哪一側并沒有給出明確的定義，無法計算和分析物體的整體性質。實體模型則是在表面模型的基礎上再定義物體存在于面的哪一側而建立的。實體模型具有關于立體的各種信息。因而可用來計算物體的質量、質心、體積、轉動慣量等物質特性，還可以對物體進行實體剖切、數(shù)值模擬網格劃分和優(yōu)化設計等。

由于表面模型會給后期計算模型的裝配工作帶來不便，本文采用實體建模方法，用等高線創(chuàng)建的地形表面和多邊形實體進行布爾操作，創(chuàng)建出三維實體地形。

3 建模過程

在建模時，先應用“網格建?！惫δ苡玫雀呔€生成不規(guī)則三角網地形曲面，然后用3ds Max基本建模功能生成平面和多邊形實體，再用“依附建?！惫δ軐⑵矫尜N合到三角網地形曲面上，創(chuàng)建出規(guī)則網格地形曲面，之后用規(guī)則網格曲面代替不規(guī)則三角網曲面，最后用3ds Max的“布爾”功能對規(guī)則網格曲面和多邊形實體進行布爾操作，創(chuàng)建三維實體地形［10］。

3.1 導入等高線

3.1.1 等高線的獲取和要求

等高線是指地形圖上高程相等的各點所連成的閉合曲線，可以利用GIS工具(如ArcGIS)矢量化地形圖來獲取，基于數(shù)字高程模型(DEM)與數(shù)字地表模型(DTM)自動生成，對實測高程點進行插值計算生成或者使用AutoCAD軟件對實測高程點進行處理，繪制生成多線段的等高線［11-12］。本文地形建模時所用等高線由勘察單位提供。

由于數(shù)值模擬對地形的要求高，繪制的等高線在地形變化大的地方要比較密。等高線形狀最好避免劇烈變化，盡量保持連續(xù)。這樣由等高線創(chuàng)建的地形能平滑過渡，不會有局部斷裂、奇異單元、夾層等現(xiàn)象。

3.1.2 等高線導入

在菜單欄上，選擇“文件”＞“導入”。在“選擇要導入的文件”對話框中，將“文件類型”更改為“DWG”，選擇要導入的等高線文件。3ds Max在導入CAD圖紙時，傳入的文件單位要與插入單位一致，保證導入的圖紙正確轉換為場景中設置的單位。

3.2 地形創(chuàng)建和優(yōu)化

3.2.1 不規(guī)則三角網地形曲面的創(chuàng)建及其特點

3ds Max中創(chuàng)建的地形曲面由不規(guī)則三角形組成。它是表示數(shù)字高程模型的一種方法，是將密度不同且不規(guī)則分布的地形特征點根據(jù)一定規(guī)則連接成覆蓋整個區(qū)域且互不重疊的三角形而構建的模型。不規(guī)則三角形模型較多地選用了地形特征點，因此能夠比較準確地表示出地形特征。

采樣點的密度和相對位置不同，不規(guī)則三角形的形狀和大小也不相同。對于起伏多變的復雜地形可以用小而密的三角形來模擬，更逼真地還原地形細節(jié)。對平坦的地區(qū)就用比較大的三角形來模擬以避免數(shù)據(jù)冗余。這與實際的地形特征一致，能夠較好地反映實際地形。

在“工具”面板中，打開“層管理器”，然后選中等高線圖層;在“創(chuàng)建”面板中，單擊“復合”旁邊的下拉菜單，然后單擊“地形”選項，創(chuàng)建出不規(guī)則三角網地形曲面，如圖1(a)所示。

由等高線創(chuàng)建的不規(guī)則三角網地形曲面，在地形變化劇烈的地方，出現(xiàn)奇異單元，在等高線不連續(xù)的地方，可能出現(xiàn)地形曲面斷裂的情況。這不利于后續(xù)數(shù)值模擬計算時網格的劃分，需對不規(guī)則三角網地形曲面進行優(yōu)化。本文運用規(guī)則網格平面，將規(guī)則網格平面貼合到不規(guī)則三角網地形曲面上，用規(guī)則網格曲面代替不規(guī)則三角網曲面，避免地形出現(xiàn)上述不利于數(shù)值模擬網格劃分的情況。

3.2.2 規(guī)則網格地形曲面的創(chuàng)建及其缺點

先通過3ds Max的平面創(chuàng)建功能，創(chuàng)建一個比地形投影大的平面。通過調整平面參數(shù)，來控制平面中網格的大小。創(chuàng)建的平面在xy面上的大小和不規(guī)則三角網地形在xy面上的投影大小相當，在z方向上，將平面移動到地形正上面，如圖1(b)所示。

選中創(chuàng)建的平面，再用3ds Max的“創(chuàng)建”、“復合”、“一致”功能，將平面復合到地形曲面上，用規(guī)則網格代替不規(guī)則三角網格，創(chuàng)建規(guī)則網格地形模型，如圖1(c)所示。

在數(shù)值模擬時，對地形和其他部件進行裝配，組成三維計算模型。在后續(xù)的裝配建模中，地形曲面在裝

配時不易于切割以及布爾等操作。為了便于后續(xù)的裝配，要將地形曲面創(chuàng)建成三維實體地形。

圖1 規(guī)則網格地形模型的創(chuàng)建

3.2.3 三維實體地形的創(chuàng)建

通過3ds Max的“ProBoolean”功能，將多個長方體通過“并集”運算，創(chuàng)建出貼合地形網格形狀的多邊形實體，如圖2(a)所示。創(chuàng)建的多邊形實體在 xy面內的投影在地形的投影范圍內。

將多邊形實體移動到適當位置，使其在高度方向上包含地形，如圖 2(b)所示。選中地形，用“Procutter”功能將規(guī)則網格地形和所創(chuàng)建的多邊形實體合并起來，建成三維實體地形模型，如圖2(c)所示。

3.3 模型優(yōu)化及其優(yōu)化原理

上述采用平面復合地形三角網創(chuàng)建地形網格曲面的方法得到的地形模型數(shù)據(jù)排列整齊，結構簡單。模型精度視網格大小而定，網格越小，網格密度越大，模型精度越高，其數(shù)據(jù)量也越大;反之模型精度越低，數(shù)據(jù)量越小。使用規(guī)則網格模型表達地形時，如果選用較小的網格，則會在地勢平緩地區(qū)出現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余，而選用較大網格時，又不能準確表達地形細部特征，影響后續(xù)的數(shù)值模擬結果，為了盡量減小地形誤差帶來的影響，需對地形進行優(yōu)化?？梢愿鶕?jù)地形特點，通過對地形網格進行局部加密和優(yōu)化，對不同地區(qū)建立不同精細程度的地形模型。通過網格“細化”功能，在地形復雜地區(qū)，建立精度較高的地形模型，而在地形平坦地區(qū)，建立較低精度的地形模型，最終建立失真度較低的三維實體地形。

圖2 實體地形的創(chuàng)建

4 建模示例與評價

本文利用已有的等高線，完成了對蘭新二線鐵路路塹、路堤、隧道、防風明洞、高架橋等路況的地形建模，如圖3所示。

圖3(a)所示的直切式大步隧道和圖3(b)所示的斜切式紅西隧道路塹型地貌結構，線路處的路塹結構并不是原始地貌，而是在線路施工時所挖，而用等高線創(chuàng)建的原始地形，不存在路塹結構，與實際地形存在差異，因此，在數(shù)值模擬時，需根據(jù)路塹施工參數(shù)在原始地形中切割出路塹結構。同理，圖3(c)所示的防風明洞和橋接續(xù)的路堤型地面結構和圖3(d)所示的防風明洞路堤，其路堤結構是線路施工所致，并不是原始地形結構，在數(shù)值模擬時也需創(chuàng)建其路堤。圖3(e)所示的白楊河橋式的高架橋地形，在橋的兩端施工時對原始地形進行了填挖，在創(chuàng)建數(shù)值模擬地形時根據(jù)填挖的地形參數(shù)創(chuàng)建出填挖結構。

本文根據(jù)等高線數(shù)據(jù)和施工參數(shù)創(chuàng)建的地形模型符合實際情況，有效減小了地形誤差對數(shù)值模擬計算結果的影響。

圖3 蘭新二線地形建模示例

5 結論

本文由等高線數(shù)據(jù)使用3ds Max的地形建模功能對蘭新二線風區(qū)的特定區(qū)域地形進行了三維建模。所用方法快速、準確，主要特點如下:

1)構建地形的失真度與等高線的精度有密切的關系，等高線精度越高，構建的地形越理想。

2)對數(shù)據(jù)要求簡單，利用等高線甚至是殘缺和不閉合的等高線也可完成地形建模。

3)創(chuàng)建的地形無奇異單元，地形面連續(xù)，實體地形易于進行后續(xù)建模的裝配工作。

4)利用3ds Max中網格細化功能，可以改善所創(chuàng)建地形的面網格質量，降低規(guī)則網格曲面的失真度。所建地形模型可以替代真實地形，并可用于列車空氣動力學問題工程評估。

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(責任審編 李付軍)

U212.3;U260.17

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.09.37

2015-04-30;

:2015-05-20

中國鐵路總公司科研試驗項目(Z2014-034)

楊永剛(1990— )，男，甘肅蘭州人，碩士研究生。

1003-1995(2015)09-0131-04