CRH1A型電力動車組駕駛室三維曲面設計與質量分析

武振鋒，趙旭才，李忠學

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

（蘭州交通大學 機電工程學院，蘭州 730070）

0 引言

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

為了滿足不斷提高的運行速度，動車組必須采用流線型外形設計，即要求具有良好的空氣動力學性能。同時，具有流線化外形的動車組也是我國鐵路高速化、現代化形象的具體體現，又因駕駛室位于整列動車組的最前端，其設計結果將會對動車組整體產生重要影響[1]。因此，設計制造出曲面流暢、造型美觀又符合空氣動力學要求的動車組駕駛室外形已經成為鐵路機車車輛領域科研人員所關注的焦點問題。近年來，研究人員對產品進行曲面造型與質量分析的研究主要集中在了汽車領域，具體包括車身整體[2]、發動機罩[3]、前翼子板[4]、前后車門[5]、后背門[6]以及保險杠上，而對動車組駕駛室進行三維設計及曲面質量分析文獻相對較少。本文將利用CATIA V5軟件，完成CRH1A型電力動車組駕駛室三維曲面設計，并分別應用等照度線、多截面曲率梳、高斯曲率等評價方法對駕駛室曲面質量進行了評價，進而使其具有更強的操作性和實際應用價值。

1 CRH1A型電力動車組簡介

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輸設備有限公司制造的高速電力動車組。該型號動車組持續運營速度為200公里/小時，最大運營速度為250公里/小時。整車采用交-直-交傳動形式，編組方式為全列8節，包括5節動車及3節拖車。CRH1A型動車組總長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。隨著產品的不斷交付使用，CRH1A型動車組先后運行在廣深鐵路、武廣客專、廣珠城軌、武九鐵路、達成鐵路等線路上。

2 CATIA與A級曲面

2.1 關于CATIA

CATIA是法國Dassault System公司開發的CAD/CAE/CAM一體化軟件，具有強大的三維實體建模、曲面創建、參數化混合建模、工程分析、產品裝配、虛擬加工、數據管理等功能。CATIA提供了全新的產品三維設計模式，其優越性大大高于傳統二維設計軟件，可以提高產品的設計效率、縮短產品開發周期和降低開發成本，為新產品快速占領市場提供了有力保證。正因為CATIA軟件的上述優點，目前該軟件在航空航天、汽車、船舶、儀器儀表等領域得到了廣泛的應用，且多數是V5版本。

2.2 A級曲面的定義

A級曲面（Class A Surface）首先是由Dassault System公司在開發CATIA軟件包時提出并付諸應用的，專指既滿足幾何光滑要求，又滿足審美需求的曲面。最初A級曲面主要應用在汽車車身模型中，隨著人們對A級曲面認知程度的提高，目前其已廣泛應用在飛機、船舶、手機和衛生設備等產品的設計過程中。

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

目前，大多數三維CAD系統均采用B-Spline方法構建空間曲線和空間曲面?？臻gB-Spline曲線的參數方程表示為：

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

可以遞推為：

式（3）中uk為節點值，如果節點值為等間距，則對應均勻B-Spline曲線；如不等距則對應非均勻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)， 分別是關于節點向量 u，v的 k階和h階B樣條曲線的基函數。

3 駕駛室曲面建模

3.1 結構特點

與CRH2、CRH380A等車型相比較，CRH1A型動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車組駕駛室形狀稱為準流線型頭部。在不影響強度的前提下，為了達到減輕運載負荷的目的，CRH1A型動車組的駕駛室采用高強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、側圍、正面與側圍的過渡和導流板四部分。

3.2 正面建模

CRH1A型動車組駕駛室的正面包括鼻部、前窗、鼻部與前窗的過渡、車頂這四個曲面，其中鼻部在導流板的上方，是氣流上下、左右流動的分界處；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變化平緩的曲面。駕駛室正面建模時采用分段掃略后拼接的方法，且所有的曲線須進行光順處理。為了便于后續的曲面質量分析，前窗暫不做挖空處理。創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 側圍建模

CRH1A動車組的駕駛室側圍是空氣左右流動的必經之處，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，整個曲面呈收縮過渡狀，所以在建模時須分塊并逐一進行處理，另外駕駛室左右方向的側圍是對稱結構，只需創建一側模型，安裝時進行鏡像即可。考慮到便于制造和安裝的因素，駕駛室的側窗為平面玻璃。創建完畢后的駕駛室側圍曲面如圖2所示。

圖2 駕駛室側圍曲面模型

3.4 正面與側圍的過渡曲面建模

根據側圍的分塊情況，CRH1A動車組的駕駛室正面與側圍之間的過渡也須分塊進行處理，兩曲面間按曲率連續進行光順圓弧過渡。同樣根據駕駛室的結構特點。只需創建一側過渡曲面，安裝時可按鏡像處理。創建完畢后的過渡曲面如圖3所示。

圖3 駕駛室正面與側圍的過渡曲面

3.5 導流板建模

駕駛室的導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，并使駕駛室的底部盡量接近軌面，所以導流板呈流線型的凹槽形狀，創建且經鏡像后的導流板曲面如圖4所示。

圖4 駕駛室導流板曲面模型

3.6 曲面裝配

在虛擬環境下，將以上創建完畢的曲面模型進行裝配，另外將建模過程中的空間點和曲線均進行了消隱處理，同時，為了后續曲面質量分析的需要，將原側窗挖空部分補齊。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 駕駛室曲面質量分析

CRH1A型電力動車組駕駛室曲面模型創建完畢后，需對曲面質量進行評價，常用方法包括等照度線、多截面曲率梳和高斯曲率等。

4.1 等照度線評價

等照度線評價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，進而分析曲面的質量，因為投影到被分析曲面上的條紋呈黑色，所以該方法也稱為斑馬線法。應用等照度線分析工具，得到駕駛室的正面軸測及側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均勻，等照度線之間的間隔也非常均勻，同時也沒有錯位，說明該曲面品質符合A級曲面的要求。但圖6(b)中側圍的等照度線出現了明顯的錯位現象，且間隔也不均勻，說明整個側圍曲面的曲面質量達不到A級曲面的要求，當然這是由于CRH1A型動車組駕駛室結構特殊性所引起的。

4.2 多截面曲率梳評價

多截面曲率梳是曲面質量分析的重要工具。該方法采用多個平行平面切割曲面，進而分析被測曲面與平面交線的曲率分布情況。曲率梳是曲線各點處曲率的矢量顯示，通過它可以直觀地評價曲線的光順情況，同時通過在該方向的曲率變化可以看出曲面的品質，如曲面的凸凹、曲面的拐點、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量為4，按等間距50cm布置；高度方向的平面數量為6，按等間距60mm布置。應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處的曲率梳都指向曲面同一側，說明整個曲面是單凸的。同時整個曲面的所有曲率梳均沒有拐點和突變，說明曲面已經達到滿足G2（曲率）連續，另外曲面的曲率梳形狀變化在寬度和高度方向上均呈現出一定的規律性，充分說明正面曲面所包括的四個掃略曲面拼接質量良好，以上特點說明駕駛室正面曲面品質符合A級曲面的要求。

對于駕駛室正面與側圍的過渡曲面部分，因其也是采取分塊橋接的方法進行創建的，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，這與設計要求是吻合的，另外曲率梳形狀變化也呈現出一定的規律性，說明分塊橋接的曲面質量良好。

4.3 高斯曲率評價法

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

A級曲面的高斯曲率評價方法是將曲面的高斯曲率值與特定的顏色聯系起來。曲面某區域的高斯曲率值如果相同，則該區域的顏色就是一致的，如果曲面上的曲率有變化，則顏色會隨之變化。CRH1動車組駕駛室曲面的高斯曲率評價結果如圖9所示。

圖9 駕駛室曲面高斯曲率評價圖

從圖9可以看出，駕駛室正面曲面的高斯曲率色標圖顏色變化均勻，過渡自然，且沒有突變的地方，滿足了G2（曲率）連續的條件，說明正面曲面整體質量已經達到了A級曲面的標準；對于正面與側圍的過渡曲面，其顏色沒有變化，說明其高斯曲率值是處處相等的；側圍曲面的高斯曲率值有突變的現象，說明側圍曲面不是A級曲面，這與等照度線評價的結論是吻合的。

5 結論

CATIA V5具有強大的曲面混合創建與編輯功能，CRH1動車組駕駛室曲面模型創建完畢后，應及時應用多種曲面質量分析方法對其進行質量分析，確定曲面應符合的質量標準。經對CRH1動車組駕駛室曲面模型的質量分析，說明其正面曲面已經達到A級曲面的標準，正面與側圍的過渡曲面銜接良好，而側圍曲面因具有結構的特殊性，未達到A級曲面的標準，當然這是實際情況的需要，體現了真正的設計意圖。CRH1動車組駕駛室曲面模型的創建與曲面質量分析對于后續的列車流場數值計算、模型風洞試驗、外板模具制造具有重要意義。本文只側重介紹了CRH1動車組駕駛室曲面創建與質量分析方法，而對后續的流場計算、外板模具加工、安裝與焊接等問題仍有待于做進一步的研究。

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