高速機車風擋玻璃格柵模設計關鍵技術研究

宋玉旺， 楊昌昊， 石曉飛， 席 平

（1. 華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206；2. 中國空間技術研究院總體部，北京 100621；3. 北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191）

高速機車風擋玻璃格柵模設計關鍵技術研究

宋玉旺1， 楊昌昊2， 石曉飛3， 席 平3

（1. 華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206；2. 中國空間技術研究院總體部，北京 100621；3. 北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191）

作為一種品種多而批量小的熱彎成型曲面夾層玻璃，高速機車風擋玻璃要滿足氣動性、可視性和安全性等要求，模具設計是縮短研發周期和降低研發成本的關鍵技術之一。從精度、重量和成本三方面對比分析了實心模、空心模和格柵模，選格柵模為熱彎成型模具。基于通用CAD平臺的設計方式，導致格柵模的設計工作具有較高的復雜度和重復度。為了提高設計效率和設計質量，首先，在考慮熱彎成型工藝的基礎上，提出并實現格柵模基平面的確定和轉正方法，給出方法的流程圖和具體數學公式，以及實例和數據。其次，通過輸入起止位置和型線數目實現型線自動提取、編號和記錄，規范型線提取流程，給出型線提取實例。最后，基于上述關鍵技術開發的專用設計軟件，成功應用于北京明盾技術有限公司系列高速機車風擋玻璃研制，給出了格柵模和風擋玻璃的實例，初步驗證了方法的有效性和軟件的實用性。

格柵模；風擋玻璃；曲面；幾何變換；高速機車

為滿足氣動性、可視性和安全性等要求，安裝在高速機車前方的風擋玻璃，一般為大尺寸的曲面夾層玻璃。對于時速350公里的高速機車，其風擋玻璃的空氣阻力占總阻力的80%～90%[1]。為滿足氣動要求，風擋玻璃的形狀與高速機車整體氣動外形相適應。在滿足鳥撞、鋁彈、高壓等沖擊強度要求基礎上，風擋玻璃還要求具有優良的可視性，即大視角、高透光率、電加熱除霜、無光畸變等。

模具設計是曲面夾層玻璃研制的關鍵技術之一。曲面夾層玻璃，基于高溫爐和模具加熱彎曲成型，其研制技術還包含沖擊計算與模擬和熱彎成型工藝等。在實現國產化之前，高速機車風擋玻璃價格昂貴，其研制技術被法國的圣戈班、德國的西門子、日本的川崎重工等公司所壟斷，并形成技術壁壘。國內外相關文獻集中在以飛機和汽車為應用背景的沖擊力學計算和有限元建模與分析的數值模擬研究[2-11]。針對熱彎成型工藝，Daoudi等[12]提出了曲面夾層玻璃的加熱、保溫和降溫的溫度控制算法，卻未提及模具設計。為替代國外產品實現國產化，作者與北京明盾技術有限公司合作采用格柵模熱彎成型高速機車風擋玻璃。高速機車風擋玻璃品種多而批量小，縮短研發周期和降低研發成本尤為重要。而格柵模的設計工作難度大、強度高、周期長，一度成為研發的技術瓶頸。

為了讓曲面夾層風擋玻璃的各層玻璃彎曲變形均勻一致，除合理的溫度控制工藝[12]之外，還應縮短平面玻璃至模具的變形距離，實現成型拱高最小。風擋玻璃彎曲變形的均勻一致對其成型后的變形和應力云紋的均勻一致至關重要，對可視性、氣動性能和抗沖擊性等方面具有直接的影響[13]。為實現成型拱高最小，首先，從位于機車絕對坐標系下的風擋玻璃曲面的三維模型中獲取模具型面，高速機車車頭以及風擋玻璃如圖1所示；其次，確定模具型面的成型基平面，簡稱基平面；最后，通過系列幾何變換將位于機車絕對坐標系下基平面調整至第一象限且與 XOY面平行。

基于通用CAD平臺進行設計時，設計者需要多次自行計算幾何變換參數并交互式的進行幾何變換來調整曲面模型的位置和姿態，難以實現成型拱高最小且工作繁瑣；在獲取 X向和 Y向的模具型線時，也需多次手動切割模具型面并編號，工作量大且重復度高。若設計過程出現反覆或設計結果需要調整，設計工作尤其復雜。因此，研究格柵模的設計技術并開發專門軟件以提高設計效率和設計質量，十分必要。

圖1 高速機車風擋玻璃

1 格柵模設計過程

高速機車前風擋玻璃，均為多層熱彎成型的曲面夾層玻璃，且曲面為凸曲面。曲面夾層玻璃，是將整套多層玻璃整體疊片熱彎成型，即將電加溫玻璃所需幾層單片玻璃一次熱彎成型。這種工藝可保證各層玻璃之間形狀吻合一致，克服了玻璃由于逐一熱彎成型而導致相互之間存在間隙的弊端。

本文采用格柵模來熱彎成型高速機車前風擋玻璃。風擋玻璃的熱彎模具，一般可分為實心模、空心模、格柵模3種。采用實心模，模具的毛坯及其成品的重量較大，加工難度和成本較高，還容易產生麻點。采用空心模，加工難度和成本較低，但操作要求較高，且風擋玻璃的曲面精度難于控制。而介于實心模和空心模之間的格柵模，與實心模相比，加工簡單、成本低；與空心模相比，操作要求較低、精度高，適合于大尺寸和大拱高曲面玻璃的熱彎成型。格柵模的設計工藝流程如圖2所示。具體過程是：①對位于機車空間中某位置和某姿態的三維機車風擋玻璃曲面，經過基平面確定和轉正，將曲面平移和旋轉至模具設計空間，即第一象限，且曲面上凸；同時，定義型線切割方向。②對設計空間中的風擋玻璃曲面，進行X向和Y向的平面型線數據提取，即求平面與曲面的交線。③基于上述型線

數據，加工出模具的型板，一般可采用激光切割、高壓水刀、線切割等加工工藝，較實心模相比，大大降低加工成本。

圖2 格柵模設計流程

2 風擋玻璃的熱彎成型工藝

從材料成型的角度來講，玻璃完成由平板到曲面的成型過程，就是玻璃中間層作純彎曲的過程。基于格柵模的風擋玻璃熱彎成型工藝方案，如圖3所示。熱彎成型前，需要根據玻璃曲面的最內層曲面逐一偏置求出各中間層曲面，然后展開各曲面下料。以五層熱彎成型的夾層玻璃為例，其結構如圖 4 所示[3]，總厚度為：

三層玻璃的厚度分別為 Δ l1、 Δ l3和 Δ l5，兩層有機材料，厚度分別為 Δ l2和 Δ l4。

（1）曲面偏置：由設計單位給出的玻璃曲面的最內層曲面Sn，依次向外偏置，令偏置距離依次為：可分別得到頂層玻璃曲面St、中間層玻璃曲面 Sm和底層玻璃曲面 Sb；由最內層曲面 Sn，再令偏置距離依次為可分別得中間有機材料層曲面Sy1和Sy2。

（2）玻璃下料：對各曲面分別展開，可得到各層曲面玻璃和有機材料加工前的二維輪廓，即下料圖樣。曲面展開可基于 UG、Catia、Dynaform等軟件實現。展開后的二維幾何輪廓模型，可轉存為自動下料機可識別的AutoCAD R12版本“*.dwg”或“*.dxf”文件，用于玻璃和玻璃間填充有機材料的下料。格式轉換過程中，應注意國際標準單位(mm)與英制單位(inch)間的換算。

（3）加熱成型：玻璃印網后，上模具加溫，一般在到560～650℃之間；固體的玻璃變為玻璃態后，待平面玻璃逐步軟化流淌至模具面，則切斷電源完全停止加熱，停止繼續加熱保持10～15 min的恒溫；直至曲面玻璃與模具一起自然冷卻。合理的溫度控制工藝，關鍵在于保證疊片多層玻璃弧面精度，盡量要依靠玻璃自身重力自然成型，減少玻璃成型時輔助外力作用。

圖3 基于格柵模的風擋玻璃熱彎成型工藝

圖4 五層熱彎成型夾層玻璃結構

3 基平面確定和轉正方法

3.1 方法概述

高速機車風擋玻璃曲面為三邊、四邊或多邊域凸曲面。為實現曲面拱高最小，本文提出并實現了格柵模的基平面確定和轉正方法，其流程如圖5所示，下面詳述基平面確定和轉正方法的詳細內容。

3.2 方法詳述

Step 1.選擇模具型面。選擇最外側玻璃曲面，并順序（順時針或逆時針）選擇曲面邊界上的4個點：P1、P2、P3和P4，如圖6所示。選擇的模具型面以及點P1、P2、P3和P4需要經幾何變換 TT，見式(1)。

其中，TM1、TM2是平移變換矩陣，TR1、TR2、 TR3是旋轉變換矩陣， TMR鏡像變換矩陣。其具體變換過程，詳見Step3～Step9。

圖6 曲面和邊界點選擇

Step 2.確定基平面。為了便于確定高速機車風擋玻璃的熱彎成型工藝的檢測基準，在點P1、P2、P3和 P4中，依次計算其中一點與其他三點所確定的臨時平面之間的距離，以距離最短的臨時平面作為基平面。可知，過點P1、P2、P4平面的方程為：

當以P1為O′時，P3至平面P1P2P4的距離為而按照類似方法可以求得 d2、 d3和 d4。

另外兩點P2和P3，則需要通過計算，來確定它們與X′和Y′的具體對應關系。假定P2和P3與′和′依次對應，令為了保證整個玻璃曲面位于基平面的正上方，取玻璃曲面上一點PS，計算得到點PS至基平面的距離；如果距離與方向相反，則點P2和P3與點Y′和X′依次對應。

Step 3.第一次平移。檢查是否成立，其中 et＞0，為CAD系統中建模精度數值，一般可取0.001 mm。如果不成立，則無需平移；此時O′與絕對坐標系的坐標原點O點重合。

圖7 計算d1至 d4

否則，需做 TM1平移變換，令O′與絕對坐標系的坐標原點O點重合。平移矢量為 O- O'，平移變換矩陣 TM1如式(3)所示。

做TM1平移變換后，點X'( x',y',z')變換至點二者對應的齊次坐標可表示為和由上式可知，

Step 4.第一次旋轉。檢查是否成立，如果不成立，則當前點 XM1(xXM1,yXM1,zXM1)即為XR1(xR1,yR1,zR1)，無需做旋轉變換 TR1。

同時，《指導意見》提出要從10個方面強化各項到村到戶到人的精準幫扶舉措，包括：加大產業扶貧力度，全力推進就業扶貧，深入推動易地扶貧搬遷，加強生態扶貧，著力實施教育脫貧攻堅行動，深入實施健康扶貧工程，加快推進農村危房改造，強化綜合性保障扶貧，開展貧困殘疾人脫貧行動，開展扶貧扶志行動。

否則，需做 TR1旋轉變換，目標是將X′繞Z軸旋轉至與絕對坐標系下 XOZ面重合。旋轉變換矩陣 TR1如式(4)所示。

其中，

做 TR1旋轉變換后，點變換至點，二者對應的齊次坐標 可 表 示 為和， 由上 式可知 ，其中，

Step 5.第二次旋轉。檢查是否成立，如果不成立，則當前點 XR1(xXR1,yXR1,zXR1)即為XR2(xXR2,yXR2,zXR2)，無需做旋轉變換 TR2。

否則，需做 TR2旋轉變換，目標是將 X′繞 Y軸旋轉至與絕對坐標系下OX軸重合。旋轉變換矩陣 TR2如式(5)所示。

其中，

做 TR2旋轉變換后，點變換至點二者對應的齊次坐標可表示為和則其中，且

否則，需做 TR3旋轉變換，目標是將 Y′繞 X軸旋轉至絕對坐標系下的 XOY面上，使得曲面位于絕對坐標系下的第一象限。旋轉變換矩陣TR3如式(6)所示。

其中，

Step 7.計算最大拱高Hmax，即曲面此時的最高點 PH(XH,YH,ZH)。可通過計算位于曲面之上的一平面與玻璃曲面的最小距離來確定其最高點。

具體方法是：①先得到玻璃曲面的最小包圍盒，則可得到兩個點，分別是 Pmin(Xmin,Ymin,Zmin)和Pmax(Xmax,Ymax,Zmax)，取 Zf=Zmax-Zmin；②創建一臨時平面DPh與XOY平面平行，Ph位于XOY平面之上距離為 Zf+Ze，其中 Ze=Zf/5；③得到臨時平面DPh與玻璃曲面之間的最小距離點 PH(XPH,YPH,ZPH)，則ZPH為玻璃曲面的最大高度，即最大成型拱高；④刪除臨時平面DPh。

Step 8.鏡像變換。經XOY面鏡像變換 TMR后，令曲面下凸，即開口向上。鏡像變換矩陣 TMR如式(7)所示。

Step 9. 第二次平移。設定模具安全高度HS，根據計算出的曲面最大高度Hmax，確定平移距離為 HM=HS+Hmax經過平移變換 TM2，使得曲面完全位于第一象限。平移變換矩陣 TM2如式(8)所示。至此， TT可完全求解。

3.3 方法應用實例

以某型機車擋風玻璃為例：

Step 1.如圖8(a)所示，高速機車擋風玻璃研制單位所獲得的于機車坐標系內的三維玻璃曲面；

Step 2.計算基平面，各點對應關系如圖8(b)所示；

Step 3.TM1第一次平移，平移矢量為：(367.544,1094.672,1823.429)，平移后如圖 8(c)所示；

Step 4.TR1第一次旋轉，繞 Z軸旋轉角度α1=88.276，旋轉后如圖8(d)所示，點XR1與OX軸不重合；

Step 5.TR2第二次旋轉，繞 Y軸旋轉角度α2=0.217，旋轉后如圖8(e)所示，點XR1與OX軸重合；

Step 6.TR3第三次旋轉，繞 X軸旋轉角度α3=358.707，旋轉后如圖8(f)所示，點YR3與XOY面重合；

Step 7.計算拱高，曲面最大成型拱高為205.634，PH(673.089, 508.007 205.634)，如圖8(g)所示；

Step 8.TMR鏡像變換，以XOY面做鏡像變換，鏡像后，如圖8(h)所示；

Step 9.TM2第二次平移，若安全高度取150，則第二次平移矢量為 (0,0,355.634)，如圖 8(i)所示。各點幾何變換過程中的數據詳見表1。

圖8 轉正前后的玻璃曲面

表1 模具轉正過程中各點信息

4 型線切割

型線切割分為X向切割和Y向切割。

X向切割時，型線通過垂直于X軸（即平行于YOZ平面）的切割平面與轉正的玻璃曲面求交而獲得。為了在進行連續幾組切割時，在切割區間邊界上，切割型線即不重合、又恰好連續，可設定切割區間和切割平面數ni。其中，xsi為起始位置，xei為終止位置，i=1,…, nx，nx為X向切割組數。則切割間距dxi可表示為：

由于，Dxi[xsi, xei)左為閉區間，從xsi開始切割，表示切割面的起始位置，為第一條型線開始的位置；右為開區間，表示切割面的位置未到xei，最后一個切割型面的實際位置可表示為：

可知，第i組X向切割的實際型線數為ni-1。

Y向型線切割時，型線通過垂直于Y軸（即平行于 XOZ平面）的切割平面與轉正的玻璃曲面求交而獲得。對于輸入切割區間Dyi[ysi, yei) 和切割平面數mi。其中，ysi為起始位置，yei為終止位置，i=1,…, my, my為Y向切割組數。類似地，可有：

基于上述功能，可以切割不同密度的型線。

X向、Y向型線切割的實例如圖9所示，X向型線切割4組，Y向型線切割3組。其中，xs1=xYM2，xe1=xs2=xOM2，xe2=xs3=xPH，xe3=xs4=xLM2，xe4=xXM2，X向具體切割信息如表 2所示；ys1=yXM2=yOM2，ye1=ys2=yPH，ye2=ys3=yLM2，ye3= yYM2，Y向具體切割信息如表3所示。

圖9 X向、Y向型線切割實例圖

表2 X 向切割信息

5 軟件功能實現

基于上述關鍵技術，本文基于UG/Open API開發了專用設計軟件，被北京明盾技術有限公司的老中青工程師迅速掌握，成功用于公司CHR2、CHR3、CHR5等系列高速機車風擋玻璃的研制。軟件使用流程如圖10(a)所示，主界面如圖10(b)所示。

基于該軟件，如圖 11(a)所示，通過基平面確定和轉正方法，將位于機車整體坐標系的玻璃曲面，變換到絕對坐標系下的第一象限內；如圖11(b)所示，可計算和顯示玻璃曲面的曲面最高點，即最大成型拱高；如圖11(c)所示，可方便快捷的切割模具型線；如圖 12所示，撤銷功能更是給設計人員提供了方便。另外，還提供了點查詢、切割信息查詢等功能，相關設計信息提示如圖13所示。

表3 Y 向切割信息

基于該軟件設計并加工的部分格柵模和風擋玻璃，如圖14和15所示，X型線板和Y向型線板采用了格柵嵌鎖工藝[14]。圖14中，對角點P1和P3直線距離1804mm，最大成型拱高Hmax為102.9 mm。采用該模具成型的曲面夾層風擋玻璃試裝成功，證明高速機車風擋玻璃邊緣處位置精度在1 mm以內，滿足裝配工藝要求。

圖10 軟件使用流程與主界面

圖11 軟件界面

圖12 撤銷功能

圖13 型線切割相關信息

圖14 某機車風擋玻璃和模具（最大跨距1300 mm）

圖15 某型高速機車風擋玻璃和模具（最大跨距1500 mm）

6 結論與展望

本文采用格柵模熱彎成型高速機車的曲面風擋玻璃，深入研究并解決了影響格柵模設計效率和質量的成型基平面確定、轉正和型線切割問題，完成了以下工作：

（1）總結了基于格柵模風擋玻璃成型工藝和格柵模設計方案，在考慮熱彎成型工藝的基礎

上，提出了基平面確定和轉正方法，自動計算參數并幾何變換以實現成型拱高最小，給出了方法流程圖和具體數學公式，并給出了實例的計算過程數據。通過輸入起止位置和型線數目實現型線切割、編號和記錄，規范了型線切割流程，并給出了切割實例。

（2）基于上述方法開發的柵格模專用設計軟件，提升了設計手段，給出了采用本文開發軟件所設計的格柵模實例和曲面風擋玻璃實例。經北京明盾技術有限公司驗證，對于同一車型風擋玻璃的格柵模，手動設計時需要3個工作日，而采用該軟件則僅需 4 h，設計效率顯著提高。以對角尺寸為 1804 mm的曲面風擋玻璃的試裝成功為例，其邊緣處的成型精度在1 mm以內，滿足裝配工藝要求，初步驗證了方法的有效性和軟件的實用性。

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The Key Technology of Lattice Mold Design of Windshield Glasses in High-Speed Train

Song Yuwang1, Yang Changhao2, Shi Xiaofei3, Xi Ping3
(1. School of Energy and Power, Mechanic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. Institute of Spacecraft System Engineering CAST, Beijing 100621, China; 3. School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China)

As one kind of surface laminated glasses with thermal bending process in multiple species and small batch, the windshield glasses in high-speed train need to meet the requirements of aerodynamics, visuality and security. The mold design is one of the key technologies to shorten the development cycle and the cost. The lattice mold is preferred to the solid mold and the frame mold comparing with tolerance, weight and cost. The means of lattice mold design based on the general CAD software, leads to high complexity and repeatability. To enhance the designing efficiency and quality, firstly, the approach to calculate and adjust the basic plane is proposed, elaborated by the chart and exemplified by the example. Secondly, the process to get the mold curves is standardized by inputting the boundary position and the numbers. Thus the mold curves are serialized and saved. Lastly, including the functions of calculating the bending distance and inquiring the corner points, the special software is developed based on the proposed approach, applied by the Beijing MingDun technology Ltd. The pictures of the lattice mold and the corresponding windshield glasses are given, which verify the practicability and effectiveness of the proposed approach and the developed software preliminarily.

lattice mold; windshield glasses; surface; geometric transformation; high-speed train

TP 391.72

A

2095-302X (2014)03-0387-09

2013-11-11；定稿日期：2013-12-28

中央高校基本科研業務費資助項目（12QN04）

宋玉旺（1980-），男，黑龍江哈爾濱人，講師，博士。主要研究方向為復雜產品數字化設計方法與關鍵技術。E-mail：46102492@qq.com