真空管道運輸系統的參數化概念設計

湯兆平，楊建國，吳松棋，孫劍萍，葛洪林

（華東交通大學，南昌 330013）

0 引言

限制地面高速交通工具發展最根本的因素是稠密的大氣。理論上，氣動阻力與物體速度的二次方成正比，氣動噪音隨速度七次或八次方而急增，這是任何形式的交通工具都無法避免的客觀規律[1]。所以目前在地面稠密大氣層中運行的交通工具，最高經濟速度不超過400km/h[1,2]。真空管道運輸(Evacuated Tube Transportation，簡稱ETT)正是基于此原理而提出的一種全新的交通運輸概念模式，它把列車置于密閉管道，將管道抽成低氣壓（由于低于0.1個大氣壓時人的血液開始氣化，在現有的技術條件下管道的氣壓定位在0.1個大氣壓以上），即在地面創造萬米高空的運行環境，也不受環境氣候條件變化的影響。理論上，列車在管道中能以500km/h以上的速度運行。ETT因具有極高速度、極低能耗、極低噪聲、極低污染和較高安全性等優點，普遍認為將是下一代理想的陸地交通工具。

1 真空管道運輸系統參數化建模思路

作為一種極具運輸潛力的運輸工具，真空管道運輸從提出到研究的時間很短，目前國內外均無成熟的設計系統可以參照。但高速列車外形與空氣動力學性能有著密切關系，良好的頭部外形曲面設計能有效降低運行時的空氣阻力及會車時壓力波、氣動噪音、隧道阻力等問題[3]。即要在保證車體結構的安全性下，滿足外形流線美觀、符合氣動性能的要求。本文以動車組結構參數為參考，基于流線型曲面造型方法，采用參數化建模的理論，能大大改善物理模型的修改手段，提高分析的柔性，最大限度地呈現真空管道運輸系統中包括頭車、中間車和尾車、軌道以及管道等組成部分的結構外形。通過改變模型中各種參數，實現不同外形曲面和尺寸模型的生成，為下一步的空氣動力學分析和模型的優化設計提供依據。

在建立系統參數化物理模型時須引入一些近似假設。首先是縮短列車長度。以在上海運行的德國Transrap id 08磁懸浮列車為參考，模型由2個頭車和1個中間車組成。頭車長26.99 m，中間車長24.77m，寬度為3.70m，高度為4.06m，列車總重為45t，每一部分各為15t。其次為了簡化計算，對列車外形做了一定的幾何簡化，如忽略轉向架、受電弓、車體連接部位等細部結構，這對課題所注重研究的空氣動力學及振動問題是可以理解的。最后，忽略環境風和線路的影響，假設列車在靜止的稀薄空氣管道中沿平直線路勻速、平穩運行。

ETT主要由列車、軌道和管道三部分組成。參數化設計思路主要把機車曲面的外形輪廓分成多個曲面片，構建出各曲面片輪廓曲線，并將這些車體曲面的外形輪廓線用方程、關系式或數據準確表達出來。然后分別曲面造型，通過調整曲率、添加適當控制線、光滑檢測及修改等工具調整曲面。最后再把這些曲面片有序地拼接成整體并加厚，完成列車外形參數化設計[4]。使用相同方法，對管道進行參數化設計。最后在完成列車、管道及軌道的參數化建模基礎上，應用虛擬裝配技術進行裝配，完成真空管道運輸系統的整體參數化設計。

2 列車的參數化建模

車頭外形參數化設計的難點在于找到控制列車流線型外形的曲線[5]。為此我們在Pro/E曲面造型中，分別繪制列車橫截面、縱截面、水平面的輪廓投影曲線，給這些曲線進行方程定義或是參數設定，再根據機車外形表面的曲率、走向，將列車外形劃分成多個曲面片，然后利用Pro/E中強大的曲面造型工具分別創建各個曲面，再按照曲面片內部曲率變化的二階連續要求把這些曲面片按照一定的順序和規律拼接而成。

2.1 控制線設計

現有的高速列車流線化外形設計是根據空氣動力學和高速列車設計相關理論，并且通過空氣動力學數值模擬和比選，經過風洞模擬試驗優化設計而成[6]，所以列車縱截面輪廓線為列車整個流線型外形的主要控制線依據。為了實現對其參數化控制，我們把其前窗以上到車頂一段縱截面輪廓線定義為橢圓曲線（圖1中黃色曲線），通過改變函數參數值，實現車頭縱截面流線形狀的變化，其設計步驟如下：

1）新建名稱為liechetou.prt，點擊“造型”，選取right面為草繪平面。

2）單擊工具欄上“工具”→“參數”，新建參數m值為2。單擊“基準曲線”，選擇“從方程”→“完成”，選擇坐標系類型為笛卡爾坐標系。輸入如下方程：

圖1 縱截面輪廓線的參照橢圓

3）車頭鼻端設計成圓弧型有利于減少空氣阻力。為此在縱切面內繪制一圓弧，使圓弧上端與圖1中橢圓曲線相切，切點距橢圓長軸高度為1350，圓弧下端與倒流面過度曲線相切，初設尺寸如圖2所示。

圖2 車頭縱截面輪廓線

4）切換草繪平面到top、right，繪制車頭水平截面、縱截面輪廓曲線。車頭側面輪廓線（圖3中的M）對車頭流線型外形以及由此產生的氣動阻力有直接影響。為簡化模型，我們采用構造空間曲線的方法生成它。先畫出M在水平面、縱剖面的投影，然后利用投影的方式生成所需的M線，最終生成車頭三視圖（如圖3所示），車頭空間輪廓如圖4所示。

圖3 車頭輪廓曲線三視圖

圖3中：L1為鼻端距等截面車身的長度；L2為車身底面1/2寬度；L3為等截面車身最大寬度；Hl為車頂距車身底面高度；H2為鼻端距車身底面高度； H3為前端導流板過度圓弧中心距車身底面高度；H4為等截面車身最大寬度處距車頂面高度；R1為鼻端圓弧半徑； R2為鼻端與底部導流板過度圓弧半徑；R3為底部導流板與車身過渡圓弧半徑；R4為車身頂部圓弧半徑；R5為車身側面控制輪廓側面圓弧半徑；R6為車身側面控制輪廓鼻端圓弧半徑；R7為車頂側過度圓弧半徑；R8為裙部擋板底部側面圓弧半徑；R9為裙部擋板底部前端圓弧半徑；R10為車頭最大側面輪廓線在水平面上投影過渡圓半徑直徑；R11為車頭最大側面輪廓線在水平面上投影過渡圓半徑直徑；R12為車頭最大側面輪廓線在水平面上投影鼻端過度圓半徑；R13為車頭最大側面輪廓線在水平面上投影前端過度圓半徑；a為車體上傾角；b為車體下傾角。

圖4 車頭空間輪廓線

2.2 輪廓曲線參數設置

在零件模式下，打開參數對話框，分別選取上面繪制輪廓曲線的草繪平面，添加新參數，對每個參數進行命名、輸入值和必要的說明（如圖5所示）。

圖5 縱截面曲線的參數設定

2.3 輪廓曲線添加關系

把前期設置的參數名稱與圖形上的尺寸代碼建立關系，是實現機車參數化的重要步驟。其操作流程為：單擊主菜單“工具”→“關系”，打開關系對話框，在圖形上單擊選擇尺寸代號，將其添加到“關系”對話框中，再編輯關系式，將參數與圖形上的尺寸相關聯（如圖6所示）。

圖6 縱截面曲線添加關系

2.4 創建曲面、生成實體

圖7 車頭模型

2.5 繪制機車其他部件

繪制車底板、車輪安裝支架，參照車頭等截面車身尺寸繪制中間車廂（如圖8所示）并進行參數化設置。參照列車實際車輪尺寸繪制車輪實體（如圖9所示）。

圖8 中間車廂

圖9 車輪

3 管道的參數化建模

ETT的管道橫截面可以是圓形，也可以是拱形。不管是哪種形狀都很容易實現參數化設置。通過對截面寬、高和壁厚的值進行參數定義，輸入數值就可以自動生成管道，以滿足系統對不同遮擋系數（列車橫截面與管道內徑之比）的要求[6]。

ETT管道實驗模型，大小可容納列車車體通過，壁厚要滿足一定的剛強度。本文管道實驗模型的斷面設計為拱形結構，其初定尺寸及形狀如圖10和圖11所示。通過對草繪圖形截面尺寸和拉伸長度的參數化，實現管道的參數化建模。具體建模過程如下：

3.1 繪制管道

使用“草繪”工具，繪制如圖10所示截面。完成后拉伸長度L1初定為100000，再對曲面進行加厚，厚度值初定200，生成圖11。

3.2 設定參數

單擊工具欄上“工具”→“參數”，新建參數D、H、M、Z、S1、S2，設置初值D=4000、H=5000、M=200。

圖10 管道截面形狀和尺寸

圖11 管道模型

3.3 添加關系

不同管道遮擋系數Z對列車的速度以及產生的氣動噪音的影響也是不同的，參數化優化管道尺寸，可在關系對話框中輸入以下關系式：

其中：S1為列車最大橫截面面積，S2為管道內部橫截面面積。

4 軌道的建模

軌道雖然也是真空管道運輸系統的重要組成部分，但因其和普通鐵路軌道在外形尺寸上沒有差別，我們就以標準普通鐵軌尺寸繪制真空管道運輸系統的鐵軌實體模型。參照標準鐵軌尺寸，繪制鐵軌橫截面，并拉伸，拉伸值設定為100000（如圖12所示）。

圖12 鐵軌模型

5 真空管道系統模型的裝配

新建一組件，將車頭、中間車廂（為簡化模型只裝配一節）、車輪、車尾(跟車頭一樣）進行組裝（如圖13所示）。再新建系統總組件，步驟如下：首先通過偏移righ t平面在其兩側各生成一參照平面，兩偏移平面間距為列車軌道距離，取1435，引入軌道元件，使軌道縱向對稱面與先前偏移平面重合，軌道底面與top平面重合，軌道橫向對稱面與fron t平面重合，完成約束；接著再引入先前繪制的列車進行裝配，保證列車縱向對稱面與righ t重合，車輪與軌道上表面相切；最后引入管道元件，完成真空管道系統模型整體裝配（如圖14所示）。

圖13 列車模型

圖14 真空管道運輸系統裝配圖

6 結束語

由于在CFD軟件包中很難創造出三維流線型車頭這樣復雜的幾何模型[7]。本文在Pro/E中建立頭車、中間車和尾車、軌道以及管道系統的參數化模型，以此作為系統空氣動力學、氣動噪聲和結構分析的基礎。如空氣動力學和氣動噪聲的仿真計算可模型用STEP格式傳到Fluen t中進行[8]。靜力分析、結構動力分析及熱/結構分析在內的結構分析，可將模型通過MECHANISM/Pro模塊輸入ADAMS/View中進行。這將為研究管道遮擋系數及列車車頭形狀與高寬比等系統參數在空氣流場、振動應力場等多場耦合作用下,對列車速度、產生的氣動噪音以及運行安全和舒適性的影響提供依據。

[1] 沈志云.關于我國發展真空管道高速交通的思考[J].西南交通大學學報,2005,4(2):133-137.

[2] 沈志云.我國真空管道高速交通的發展戰略和技術方案[J]專家論壇,2005.

[3] 周曉,張殿業,張耀平.真空管道中阻塞比對列車空氣阻力影響的數值研究[J].真空科學與技術學報,2008,28(11):535-538.

[4] 孫劍萍.雙面加工的弧齒圓柱齒輪精確參數化設計與裝配仿真[J].機床與液壓,2010.

[5] 王文濤.高速列車頭部外形參數化CAD系統研究[D]. 西安交通大學,2008.

[6] 繆炳榮,肖守訥.列車流線型外形三維參數化CAD系統[J].交通運輸工程學報,2002,12.

[7] 王東屏.CFD數值仿真建模技術研究及其在高速動車組中的驗證[D].大連:大連交通大學,2006.

[8] 唐振明.高速列車車頭外流場的三維數值模擬[D].大連理工大學,2008.