基于CATIA的高速鐵路隧道洞口復雜結構模型建模

康衛(wèi)林，周朝暉，許建林

(蘭州交通大學機電工程學院，甘肅蘭州 730070)

0 引言

蘭新鐵路第2雙線是2014年12月投入運營的國內第1條在高海拔地區(qū)修建的高速鐵路，正線隧道64座，總長187.15 km，占線路總長度的10.5%。該鐵路設計時速為200 km/h，當列車高速通過線路上的隧道時，尤其是在隧道洞口，由于空氣動力學的原因將會對車體和乘客產生一系列不同程度的損害。在采用計算流體力學的方法研究這種危害時，不同的隧道洞門結構產生的損害不同，因此對隧道洞門的三維建模對后續(xù)的研究工作起到至關重要的作用。

由于歷史積累，鐵路隧道大量的運用AUTOCAD進行設計，而且大多數情況下只有平面工程圖，這對于進行三維數值模擬以及三維直觀展示帶來了很多不便。而三維設計技術是當前計算機輔助設計技術的發(fā)展趨勢，在機械、建筑、化工、石油等設計行業(yè)已得到廣泛的應用［1－3］。蘭新鐵路隧道洞口的形式有多種，對不同隧道結構形式準確的進行幾何建模較為困難。

針對如何準確的進行三維幾何建模，黃俊炫等［4］通過采用CATIA三維軟件骨架和模板的方法，根據大型橋梁的結構特點對其進行了三維建模;王帥等［5］為了更直觀、形象、清晰生動地反映出涵道風扇無人機的實體特性，使人們對涵道風扇無人機有一個具體直觀的印象，采用CATIA軟件利用用戶參數和表格方法建立了涵道風扇無人機的三維模型;路忠鋒［6］在CATIA中將參數化建模方法運用在提高汽車車身數據開發(fā)，極大的縮短了研發(fā)周期;朱曉軍等［7］通過編寫CATIA宏命令，以及使用曲面及其曲面修飾功能，利用CATIA軟件進行船體外形建模;吳文龍等［8］在CATIA軟件中將機車轉向架分為側梁和橫梁2個模塊進行參數化設計，應用VB環(huán)境下CATIA二次開發(fā)的自動化技術，完成對機車轉向架的幾何建模。上述研究者通過CATIA軟件對不同的幾何結構進行三維建模，使人們能更加直觀的了解結構的三維特點。但是對于復雜結構隧道洞門的建模方法介紹的相對較少。

本文以蘭新第2雙線紅西隧道烏魯木齊端為例，重點闡述了借助隧道AUTOCAD工程圖，使用CATIA軟件進行隧道洞門復雜結構三維建模的方法。

1 高速鐵路隧道洞門復雜結構特點

高速列車車頭駛入隧道的瞬間，在列車車頭處會產生壓縮波，即初始壓縮波。由此產生一系列空氣動力學問題，如洞口微壓波等。這些空氣動力學問題造成噪音污染等環(huán)境問題，而減緩這些空氣動力學問題的措施就是合理設計隧道洞門結構［9］。目前高速鐵路常用的洞門結構有竹削式和帽檐斜切式［10－11］。其中帽檐斜切式洞門結構外形輪廓曲線最為復雜。

蘭新第2雙線新疆段穿過煙墩風區(qū)、百里風區(qū)、三十里風區(qū)和達坂城風區(qū)這4大風區(qū)，約占新疆段線路總長的65%。全段共有隧道14座，其中12座隧道位于4大風區(qū)中［12］。這些隧道洞門結構多為帽檐斜切式。圖1就給出了位于百里風區(qū)的紅西隧道烏魯木齊端洞門的結構實拍圖，其結構就是典型的帽檐斜切式。以下就是以此洞門為例來闡述使用CATIA進行三維建模的方法。

圖1 紅西隧道烏魯木齊洞門Fig.1 Portal structure on Urumchi side of Hongxi tunnel

2 建模方法

2.1 基本原則

1)大地坐標系。X方向指向線路前進方向，Y方向指向垂直于線路方向，Z方向垂直于隧道平面向上。把坐標原點設置在隧道通道平臺和線路中心線交點［4］。

2)建模單位。考慮到隧道幾何尺寸較大，統(tǒng)一使用cm作為單位。

3)對稱性?？紤]到隧道具有對稱性的特點，采用對稱的方法可以減少近一半的工作量和建模時間。

2.2 建模方法

通過洞口平剖面的dwf格式圖紙，進行以下的建模過程，將dwf格式中正視圖和側視圖分別保存為jpg格式，并依次命名為“主視圖.jpg”和“左視圖.jpg”，在此過程為了較清楚地展示相關圖示，將工程圖中無關的線條刪除。以下為具體建模過程。

2.2.1 工程視圖的導入

通過Shape模塊下的Sketch Tracer命令導入隧道主視圖圖片［13－16］，結果如圖2所示。導入主視圖后，需對坐標系統(tǒng)進行坐標系的設置(包括坐標原點和坐標尺度)。具體而言，調整坐標原點到圖中O點，X軸的端點調整至A點，Y軸的端點調整至B點。OB的距離為878 cm，這時修改Y軸尺度為此值，則X軸尺度就會變?yōu)?30 cm，這跟主視圖中實際尺度也一致(250+220+160=630)。

圖2 隧道洞門正視圖調整坐標原點位置(單位:cm)Fig.2 Adjusting of the origin’s position in the front view of tunnel portal(cm)

按照同樣的方法導入左視圖.jpg，并對相應坐標原點和坐標軸端點尺寸進行調整。方法與導入主視圖一致，結果如圖3所示。總體效果如圖4所示。

圖3 隧道洞門左視圖(單位:cm)Fig.3 Left view of tunnel portal(cm)

圖4 總體效果圖(單位:cm)Fig.4 Overall effect diagram(cm)

2.2.2 創(chuàng)建空間曲線

觀察圖1可以發(fā)現，為了能對隧道洞門結構進行造型，關鍵在于要做出洞門外型輪廓線，要繪制這些輪廓線，需要使用CATIA中創(chuàng)成式外形設計模塊。

首先分別在Z－Y平面和Z－X平面創(chuàng)建草圖，如圖5和圖6所示。創(chuàng)建好2個平面上的草圖后，使用混合功能，使不平行的草圖平面上的2條曲線(圖中紅色線段)創(chuàng)建出一條空間曲線線段，此曲線線段如圖7中藍色部分，對比圖1發(fā)現此曲線即為隧道洞門的其中一條輪廓線。

圖5 在Z－Y平面上創(chuàng)建草圖(單位:cm)Fig.5 Creating a sketch on Z－Y plane(cm)

圖6 在Z－X平面上創(chuàng)建草圖(單位:cm)Fig.6 Creating a sketch on Z－X plane(cm)

圖7 通過2個平面上的草圖擬合出的1條空間曲線(單位:cm)Fig.7 A space curve fitted by the sketches on the two planes(cm)

同樣的方法，創(chuàng)建其它輪廓線，結果如圖8所示。從此圖可見，共創(chuàng)建了4條隧道洞門輪廓線(見圖中藍色粗實線)，考慮到曲線生成的需要，還需選用2條草圖線作為輪廓線(見圖中紅色粗實線)。

圖8 通過2個平面上的草圖擬合出的4條空間曲線(單位:cm)Fig.8 Four space curves fitted by the sketches on the two planes(cm)

2.2.3 創(chuàng)建空間曲面

在創(chuàng)建曲面時使用橋接功能。橋接命令可以在2個不相交的已知曲線間創(chuàng)建橋接曲面。具體如圖9所示，在對話框中選中空間曲線1和空間曲線3，點擊確定就可橋接出曲面1，按照同樣的方法創(chuàng)建其余曲面，如圖10所示。

將橋接生成曲面使用曲面結合命令結合成一個整體，再使用對稱命令，實現整個隧道洞口的造型，如圖11所示。最后將所有曲面進行結合，然后將其封閉就可以轉化為實體。

2.3 結果評價

圖12和圖13是由建模形成的三維圖生成的工程圖。比較圖2與圖12，圖3與圖13可以看出使用CATIA所建模型基本與原圖吻合，出現誤差的原因應該主要是曲線段擬合精度稍低，可進一步提高曲線擬合精度以達到三維建模的精準度。

圖9 橋接命令Fig.9 Blend curve commands

圖10 橋接曲面結果Fig.10 Blend surface results

圖11 對稱后洞門結構Fig.11 Portal structure after symmetry

圖12 洞口結構正視圖(單位:cm)Fig.12 Front view of portal structure(cm)

圖13 洞口結構左視圖(單位:cm)Fig.13 Left view of portal structure(cm)

3 結論與討論

隧道洞門的是一種較為復雜的結構，使用CATIA的Sketch Tracer功能對高速鐵路隧道洞門復雜結構進行三維建模，此建模方法快速、準確，完成三維模型失真度低，這為進一步進行相關研究及應用提供了研究基礎。

本文對復雜結構隧道洞門的建模方法可以快速和準確的進行建模，但是在利用CATIA軟件對復雜隧道洞門的三維建模過程中，盡可能地減少人工的操作因素，提高幾何建模的準確度以及準確確定基準點的方法以減少誤差等方面有必要進行深入的探討和研究。

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