PDF《流线型列车头部设计制造一体化方法》

0 引言为满足列车运行要求的空气动力性能 , 国内 外高速列车的头部外形均采用基于半个自由落体 液滴形状的流线型 , 流线型列车头部外形一般都 是由复杂的空间三维自由曲面构成[ 1] ;

外形需由 结构来支撑 , 头部结构设计不仅要考虑车内设备 所占的空间、加工工艺的难易 , 同时还必须保证与 流线化外形完全一致 , 因此 ,流线型列车头部外形 结构的设计与制造一体化成为中国一项新的工程 应用技术 . 按照传统的设计方法, 流线型外形设计一般采 用具有三维自由曲面造型的通用软件进行, 设计中 需要有大量的人工干预 ,耗时很长 .而且按流线型 外形与承载结构合为一体的方式进行头部结构设计 时,头部梁件采用槽形 、角形、乙形等截面型式的压 形件 ,由于蒙皮为三维自由曲面,要使梁件与蒙皮内 表面密贴 ,上述梁形件将导致梁件翼板翘曲或腹板 扭曲, 从而使梁件的加工和组装难度加大.为了解 决这一难题,本文进行了三方面的研究 : 一是应用非 均匀有理 B 样条(NU RBS)曲线曲面造型原理进行 外形设计 ;

二是应用 NU RBS 曲面的求交理论和三 维几何造型技术进行结构设计;

三是采用 NU RBS 曲线的线段拟合理论编制结构平面曲梁数控加工模 块,从而开发了流线型列车头部外形、 结构设计制造 一体化软件.

1 流线型列车头部外形设计 非均匀有理 B 样条(N URBS)方法是目前曲面 造型中应用最广泛的技术, 它能用统一的数学形式 表示规则曲面与自由曲面;

具有可影响自由曲线曲 面形状的权因子, 使形状更易于控制和实现.而且 NU RBS 方法是非有理 B 样条方法在四维空间的直 接推广, 多数非有理 B 样条曲线曲面的性质及其相 应算法也适用于 N URBS 曲线曲面, 便于继承和发 展.因此 ,流线型列车头部采用 N URBS 曲面进行 设计[ 2- 6] .

1 .

1 基本原理 流线型列车头部外形型线由非均匀有理 B 样 条曲线(N URBS)构成 ,数学模型为一分段的矢值有 理多项式函数, 其表达式为 P(u) = ∑ n i =0 Bik (u)Wi Vi ∑ n i =0 Bik(u)Wi (1) 式中: V i 为曲线控制顶点 ;

Wi 为权因子;

B ik (u)为沿 u 向的k 次B样条基函数. 构成流线型列车头部外形的空间三维曲面采用 N URBS 曲面 ,其数学表达式为 P(u , w) = ∑ n i =0 ∑ m j =0 B ik (u) B jl (w)Wij Vij ∑ n i =0 ∑ m j =0 Bik (u)Bjl (w)Wij (2) 式中: V ij 为曲线控制顶点;

Wij 为权因子 ;

Bjl (w)为沿w向的 l 次B样条基函数. u 和w向的节点矢 量分别为 U= (u0 ,u1 , …, uk , uk +1 , … ,ur- k -

1 , ur - k ,ur- k +1 , … ,ur) (3) W = (w0 ,w1 , … ,w l , wl+1 , …, ws- l -

1 , ws - l , ws- l +1 , … ,ws) (4) u0 =… =uk =w0 =… = wl =0 ur- k =…=ur =ws - l =ws =1 r = n + k +1 s = m +l +

1 式中 : 沿u向和 w 向节点矢量的节点数分别为r +

1 和s+1 .

1 .

2 外形设计基本思路 根据 N URBS 曲线曲面理论, 在AutoCAD 的ARX 与Ⅰ - deas 的Open Ⅰ - deas 开发平台上,编制了 流线型列车头部外形三维曲面造型模块 [ 7- 10] , 外形 设计菜单见图

1 . 图1外形设计菜单 Fig.

1 Shape design menu 外形设计基本思路如下 . (1)按照外形的设计要求,首先生成三维曲面的 基本控制型线. (2)自动生成中间型线 ,根据需要实时拖动型线 的控制点或首尾切矢, 进行型线的修改. (3)如果曲线中同时存在直线段 、 圆弧段及三次