基于CATIA的高速鐵路隧道洞口復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型建模

康衛(wèi)林，周朝暉，許建林

(蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)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(yùn)營(yíng)的國(guó)內(nèi)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(zhǎng)187.15 km，占線路總長(zhǎng)度的10.5%。該鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速為200 km/h，當(dāng)列車高速通過線路上的隧道時(shí)，尤其是在隧道洞口，由于空氣動(dòng)力學(xué)的原因?qū)?huì)對(duì)車體和乘客產(chǎn)生一系列不同程度的損害。在采用計(jì)算流體力學(xué)的方法研究這種危害時(shí)，不同的隧道洞門結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損害不同，因此對(duì)隧道洞門的三維建模對(duì)后續(xù)的研究工作起到至關(guān)重要的作用。

由于歷史積累，鐵路隧道大量的運(yùn)用AUTOCAD進(jìn)行設(shè)計(jì)，而且大多數(shù)情況下只有平面工程圖，這對(duì)于進(jìn)行三維數(shù)值模擬以及三維直觀展示帶來了很多不便。而三維設(shè)計(jì)技術(shù)是當(dāng)前計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，在機(jī)械、建筑、化工、石油等設(shè)計(jì)行業(yè)已得到廣泛的應(yīng)用［1－3］。蘭新鐵路隧道洞口的形式有多種，對(duì)不同隧道結(jié)構(gòu)形式準(zhǔn)確的進(jìn)行幾何建模較為困難。

針對(duì)如何準(zhǔn)確的進(jìn)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(jù)大型橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行了三維建模;王帥等［5］為了更直觀、形象、清晰生動(dòng)地反映出涵道風(fēng)扇無人機(jī)的實(shí)體特性，使人們對(duì)涵道風(fēng)扇無人機(jī)有一個(gè)具體直觀的印象，采用CATIA軟件利用用戶參數(shù)和表格方法建立了涵道風(fēng)扇無人機(jī)的三維模型;路忠鋒［6］在CATIA中將參數(shù)化建模方法運(yùn)用在提高汽車車身數(shù)據(jù)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(jìn)行船體外形建模;吳文龍等［8］在CATIA軟件中將機(jī)車轉(zhuǎn)向架分為側(cè)梁和橫梁2個(gè)模塊進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用VB環(huán)境下CATIA二次開發(fā)的自動(dòng)化技術(shù)，完成對(duì)機(jī)車轉(zhuǎn)向架的幾何建模。上述研究者通過CATIA軟件對(duì)不同的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，使人們能更加直觀的了解結(jié)構(gòu)的三維特點(diǎn)。但是對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)隧道洞門的建模方法介紹的相對(duì)較少。

本文以蘭新第2雙線紅西隧道烏魯木齊端為例，重點(diǎn)闡述了借助隧道AUTOCAD工程圖，使用CATIA軟件進(jìn)行隧道洞門復(fù)雜結(jié)構(gòu)三維建模的方法。

1 高速鐵路隧道洞門復(fù)雜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

高速列車車頭駛?cè)胨淼赖乃查g，在列車車頭處會(huì)產(chǎn)生壓縮波，即初始?jí)嚎s波。由此產(chǎn)生一系列空氣動(dòng)力學(xué)問題，如洞口微壓波等。這些空氣動(dòng)力學(xué)問題造成噪音污染等環(huán)境問題，而減緩這些空氣動(dòng)力學(xué)問題的措施就是合理設(shè)計(jì)隧道洞門結(jié)構(gòu)［9］。目前高速鐵路常用的洞門結(jié)構(gòu)有竹削式和帽檐斜切式［10－11］。其中帽檐斜切式洞門結(jié)構(gòu)外形輪廓曲線最為復(fù)雜。

蘭新第2雙線新疆段穿過煙墩風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)和達(dá)坂城風(fēng)區(qū)這4大風(fēng)區(qū)，約占新疆段線路總長(zhǎng)的65%。全段共有隧道14座，其中12座隧道位于4大風(fēng)區(qū)中［12］。這些隧道洞門結(jié)構(gòu)多為帽檐斜切式。圖1就給出了位于百里風(fēng)區(qū)的紅西隧道烏魯木齊端洞門的結(jié)構(gòu)實(shí)拍圖，其結(jié)構(gòu)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(jìn)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(biāo)系。X方向指向線路前進(jìn)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(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在隧道通道平臺(tái)和線路中心線交點(diǎn)［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(duì)稱性。考慮到隧道具有對(duì)稱性的特點(diǎn)，采用對(duì)稱的方法可以減少近一半的工作量和建模時(shí)間。

2.2 建模方法

通過洞口平剖面的dwf格式圖紙，進(jìn)行以下的建模過程，將dwf格式中正視圖和側(cè)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(guān)圖示，將工程圖中無關(guān)的線條刪除。以下為具體建模過程。

2.2.1 工程視圖的導(dǎo)入

通過Shape模塊下的Sketch Tracer命令導(dǎo)入隧道主視圖圖片［13－16］，結(jié)果如圖2所示。導(dǎo)入主視圖后，需對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行坐標(biāo)系的設(shè)置(包括坐標(biāo)原點(diǎn)和坐標(biāo)尺度)。具體而言，調(diào)整坐標(biāo)原點(diǎn)到圖中O點(diǎn)，X軸的端點(diǎn)調(diào)整至A點(diǎn)，Y軸的端點(diǎn)調(diào)整至B點(diǎn)。OB的距離為878 cm，這時(shí)修改Y軸尺度為此值，則X軸尺度就會(huì)變?yōu)?30 cm，這跟主視圖中實(shí)際尺度也一致(250+220+160=630)。

圖2 隧道洞門正視圖調(diào)整坐標(biāo)原點(diǎn)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(dǎo)入左視圖.jpg，并對(duì)相應(yīng)坐標(biāo)原點(diǎn)和坐標(biāo)軸端點(diǎn)尺寸進(jìn)行調(diào)整。方法與導(dǎo)入主視圖一致，結(jié)果如圖3所示?？傮w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(xiàn)，為了能對(duì)隧道洞門結(jié)構(gòu)進(jìn)行造型，關(guān)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(shè)計(jì)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(gè)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(lán)色部分，對(duì)比圖1發(fā)現(xiàn)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(gè)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(jié)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(lán)色粗實(shí)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(shí)線)。

圖8 通過2個(gè)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(shí)使用橋接功能。橋接命令可以在2個(gè)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(duì)話框中選中空間曲線1和空間曲線3，點(diǎn)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(jié)合命令結(jié)合成一個(gè)整體，再使用對(duì)稱命令，實(shí)現(xiàn)整個(gè)隧道洞口的造型，如圖11所示。最后將所有曲面進(jìn)行結(jié)合，然后將其封閉就可以轉(zhuǎn)化為實(shí)體。

2.3 結(jié)果評(píng)價(jià)

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(xiàn)誤差的原因應(yīng)該主要是曲線段擬合精度稍低，可進(jìn)一步提高曲線擬合精度以達(dá)到三維建模的精準(zhǔn)度。

圖9 橋接命令Fig.9 Blend curve commands

圖10 橋接曲面結(jié)果Fig.10 Blend surface results

圖11 對(duì)稱后洞門結(jié)構(gòu)Fig.11 Portal structure after symmetry

圖12 洞口結(jié)構(gòu)正視圖(單位:cm)Fig.12 Front view of portal structure(cm)

圖13 洞口結(jié)構(gòu)左視圖(單位:cm)Fig.13 Left view of portal structure(cm)

3 結(jié)論與討論

隧道洞門的是一種較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，使用CATIA的Sketch Tracer功能對(duì)高速鐵路隧道洞門復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，此建模方法快速、準(zhǔn)確，完成三維模型失真度低，這為進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)研究及應(yīng)用提供了研究基礎(chǔ)。

本文對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)隧道洞門的建模方法可以快速和準(zhǔn)確的進(jìn)行建模，但是在利用CATIA軟件對(duì)復(fù)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(zhǔn)確度以及準(zhǔn)確確定基準(zhǔn)點(diǎn)的方法以減少誤差等方面有必要進(jìn)行深入的探討和研究。

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