CRH1A型电力动车组驾驶室三维曲面设计与质量分析

武振锋，赵旭才，李忠学

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

（兰州交通大学 机电工程学院，兰州 730070）

0 引言

自2007年4月我国铁路实施第6次大范围提速以来，电力动车组开始在我国主干电气化线路上投入运行。动车组是一种由自带动力的动车和不带动力的拖车，经固定编组而成的旅客列车。近年来，我国铁路通过引进、消化、吸收和再创新，形成了“和谐号”CRH1、CRH2、CRH3和CRH5四种系列9种型号的国产自主品牌高速电力动车组。目前，电力动车组以其快速、安全、灵活的特点，已广泛应用在我国高速铁路、客运专线、地下铁道、城市轻轨等领域。

为了满足不断提高的运行速度，动车组必须采用流线型外形设计，即要求具有良好的空气动力学性能。同时，具有流线化外形的动车组也是我国铁路高速化、现代化形象的具体体现，又因驾驶室位于整列动车组的最前端，其设计结果将会对动车组整体产生重要影响[1]。因此，设计制造出曲面流畅、造型美观又符合空气动力学要求的动车组驾驶室外形已经成为铁路机车车辆领域科研人员所关注的焦点问题。近年来，研究人员对产品进行曲面造型与质量分析的研究主要集中在了汽车领域，具体包括车身整体[2]、发动机罩[3]、前翼子板[4]、前后车门[5]、后背门[6]以及保险杠上，而对动车组驾驶室进行三维设计及曲面质量分析文献相对较少。本文将利用CATIA V5软件，完成CRH1A型电力动车组驾驶室三维曲面设计，并分别应用等照度线、多截面曲率梳、高斯曲率等评价方法对驾驶室曲面质量进行了评价，进而使其具有更强的操作性和实际应用价值。

1 CRH1A型电力动车组简介

CRH1A是为了满足我国铁路第6次大提速的需要，由青岛四方庞巴迪铁路运输设备有限公司制造的高速电力动车组。该型号动车组持续运营速度为200公里/小时，最大运营速度为250公里/小时。整车采用交-直-交传动形式，编组方式为全列8节，包括5节动车及3节拖车。CRH1A型动车组总长213.55m，头车（含驾驶室）长度为26.95m，中间车长度为26.60m，车体宽度3.328 m，车体高度为4.04 m。随着产品的不断交付使用，CRH1A型动车组先后运行在广深铁路、武广客专、广珠城轨、武九铁路、达成铁路等线路上。

2 CATIA与A级曲面

2.1 关于CATIA

CATIA是法国Dassault System公司开发的CAD/CAE/CAM一体化软件，具有强大的三维实体建模、曲面创建、参数化混合建模、工程分析、产品装配、虚拟加工、数据管理等功能。CATIA提供了全新的产品三维设计模式，其优越性大大高于传统二维设计软件，可以提高产品的设计效率、缩短产品开发周期和降低开发成本，为新产品快速占领市场提供了有力保证。正因为CATIA软件的上述优点，目前该软件在航空航天、汽车、船舶、仪器仪表等领域得到了广泛的应用，且多数是V5版本。

2.2 A级曲面的定义

A级曲面（Class A Surface）首先是由Dassault System公司在开发CATIA软件包时提出并付诸应用的，专指既满足几何光滑要求，又满足审美需求的曲面。最初A级曲面主要应用在汽车车身模型中，随着人们对A级曲面认知程度的提高，目前其已广泛应用在飞机、船舶、手机和卫生设备等产品的设计过程中。

参照施法中[7]和朱心雄[8]关于A级曲面特征的介绍，可以将A级曲面定义为：1）大的曲面片是全凸的，即不存在奇异多余的拐点；2）曲率变化分布均匀；3）曲面满足G2（曲率）连续或者以上；4）应变能最小。

目前，大多数三维CAD系统均采用B-Spline方法构建空间曲线和空间曲面。空间B-Spline曲线的参数方程表示为：

式（1）中umin≤u≤umax，2≤d≤n+1，Pk为第k个控制点，Bk,d(u)为基函数，n为空间B-Spline曲线的次数。

可以递推为：

式（3）中uk为节点值，如果节点值为等间距，则对应均匀B-Spline曲线；如不等距则对应非均匀B-Spline曲线。

k×h(k≤h, h≤m)阶的空间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)， 分别是关于节点向量 u，v的 k阶和h阶B样条曲线的基函数。

3 驾驶室曲面建模

3.1 结构特点

与CRH2、CRH380A等车型相比较，CRH1A型动车组的驾驶室流线型长度整体较短，鼻部比较平缓，无明显突起，通常将此种类型的动车组驾驶室形状称为准流线型头部。在不影响强度的前提下，为了达到减轻运载负荷的目的，CRH1A型动车组的驾驶室采用高强度型材骨架与铝合金板分块蒙皮的方式制作而成。整体上，驾驶室曲面可以分为正面、侧围、正面与侧围的过渡和导流板四部分。

3.2 正面建模

CRH1A型动车组驾驶室的正面包括鼻部、前窗、鼻部与前窗的过渡、车顶这四个曲面，其中鼻部在导流板的上方，是气流上下、左右流动的分界处；前窗的形式为单扇柱面玻璃；鼻部与前窗之间的过渡是一个变化平缓的曲面。驾驶室正面建模时采用分段扫略后拼接的方法，且所有的曲线须进行光顺处理。为了便于后续的曲面质量分析，前窗暂不做挖空处理。创建完毕后驾驶室正面曲面如图1所示。

图1 驾驶室正面曲面模型

3.3 侧围建模

CRH1A动车组的驾驶室侧围是空气左右流动的必经之处，为了减小空气阻力，从驾驶室与车辆的衔接处开始，一直到其鼻部，整个曲面呈收缩过渡状，所以在建模时须分块并逐一进行处理，另外驾驶室左右方向的侧围是对称结构，只需创建一侧模型，安装时进行镜像即可。考虑到便于制造和安装的因素，驾驶室的侧窗为平面玻璃。创建完毕后的驾驶室侧围曲面如图2所示。

图2 驾驶室侧围曲面模型

3.4 正面与侧围的过渡曲面建模

根据侧围的分块情况，CRH1A动车组的驾驶室正面与侧围之间的过渡也须分块进行处理，两曲面间按曲率连续进行光顺圆弧过渡。同样根据驾驶室的结构特点。只需创建一侧过渡曲面，安装时可按镜像处理。创建完毕后的过渡曲面如图3所示。

图3 驾驶室正面与侧围的过渡曲面

3.5 导流板建模

驾驶室的导流板位于鼻部曲面的正下方，其作用是将冲向驾驶室底部的气流引向驾驶室两侧，并使驾驶室的底部尽量接近轨面，所以导流板呈流线型的凹槽形状，创建且经镜像后的导流板曲面如图4所示。

图4 驾驶室导流板曲面模型

3.6 曲面装配

在虚拟环境下，将以上创建完毕的曲面模型进行装配，另外将建模过程中的空间点和曲线均进行了消隐处理，同时，为了后续曲面质量分析的需要，将原侧窗挖空部分补齐。虚拟装配完毕后的驾驶室模型如图5所示。

图5 驾驶室虚拟装配模型

4 驾驶室曲面质量分析

CRH1A型电力动车组驾驶室曲面模型创建完毕后，需对曲面质量进行评价，常用方法包括等照度线、多截面曲率梳和高斯曲率等。

4.1 等照度线评价

等照度线评价的主要功能是将球面或圆柱面上的等距离的黑色条纹投影到欲分析的曲面上，观察条纹的变形情况，进而分析曲面的质量，因为投影到被分析曲面上的条纹呈黑色，所以该方法也称为斑马线法。应用等照度线分析工具，得到驾驶室的正面轴测及侧围等照度线分别如图6(a)，(b)所示。

图6 驾驶室曲面等照度线图

由图6(a)可以看出，驾驶室正面曲面的等照度线粗细均匀，等照度线之间的间隔也非常均匀，同时也没有错位，说明该曲面品质符合A级曲面的要求。但图6(b)中侧围的等照度线出现了明显的错位现象，且间隔也不均匀，说明整个侧围曲面的曲面质量达不到A级曲面的要求，当然这是由于CRH1A型动车组驾驶室结构特殊性所引起的。

4.2 多截面曲率梳评价

多截面曲率梳是曲面质量分析的重要工具。该方法采用多个平行平面切割曲面，进而分析被测曲面与平面交线的曲率分布情况。曲率梳是曲线各点处曲率的矢量显示，通过它可以直观地评价曲线的光顺情况，同时通过在该方向的曲率变化可以看出曲面的品质，如曲面的凸凹、曲面的拐点、极大或极小值的分布等。

在驾驶室正面曲面上分别添加平行车辆宽度方向和高度方向的平面，其中宽度方向的平面数量为4，按等间距50cm布置；高度方向的平面数量为6，按等间距60mm布置。应用多截面曲率梳工具，分别得到驾驶室宽度与高度方向多平面交线的曲率梳图，如图7(a)，(b)所示。

图7 驾驶室正面曲面多截面曲率梳图

由图7可以看出，驾驶室正面曲面无论是宽度方向还是高度方向，曲面与多截面交线上各点处的曲率梳都指向曲面同一侧，说明整个曲面是单凸的。同时整个曲面的所有曲率梳均没有拐点和突变，说明曲面已经达到满足G2（曲率）连续，另外曲面的曲率梳形状变化在宽度和高度方向上均呈现出一定的规律性，充分说明正面曲面所包括的四个扫略曲面拼接质量良好，以上特点说明驾驶室正面曲面品质符合A级曲面的要求。

对于驾驶室正面与侧围的过渡曲面部分，因其也是采取分块桥接的方法进行创建的，所以也需要查看其曲率梳分布情况。驾驶室过渡曲面的曲率梳如图8所示。

图8 驾驶室过渡曲面多截面曲率梳图

通过图8可以看出，驾驶室过渡曲面的各截面曲率梳都是单凸的，这与设计要求是吻合的，另外曲率梳形状变化也呈现出一定的规律性，说明分块桥接的曲面质量良好。

4.3 高斯曲率评价法

空间曲面在一点具有一条法线，通过该法线的平面有无数多个，每一个平面与曲面都有一条交线，所有的交线在该点处的曲率通常是不相等的。一般将所有曲率绝对值的最大值称为最大曲率，用kmax表示；所有曲率绝对值的最小值称为最小曲率，用kmin表示，高斯曲率K＝kmax·kmin。

A级曲面的高斯曲率评价方法是将曲面的高斯曲率值与特定的颜色联系起来。曲面某区域的高斯曲率值如果相同，则该区域的颜色就是一致的，如果曲面上的曲率有变化，则颜色会随之变化。CRH1动车组驾驶室曲面的高斯曲率评价结果如图9所示。

图9 驾驶室曲面高斯曲率评价图

从图9可以看出，驾驶室正面曲面的高斯曲率色标图颜色变化均匀，过渡自然，且没有突变的地方，满足了G2（曲率）连续的条件，说明正面曲面整体质量已经达到了A级曲面的标准；对于正面与侧围的过渡曲面，其颜色没有变化，说明其高斯曲率值是处处相等的；侧围曲面的高斯曲率值有突变的现象，说明侧围曲面不是A级曲面，这与等照度线评价的结论是吻合的。

5 结论

CATIA V5具有强大的曲面混合创建与编辑功能，CRH1动车组驾驶室曲面模型创建完毕后，应及时应用多种曲面质量分析方法对其进行质量分析，确定曲面应符合的质量标准。经对CRH1动车组驾驶室曲面模型的质量分析，说明其正面曲面已经达到A级曲面的标准，正面与侧围的过渡曲面衔接良好，而侧围曲面因具有结构的特殊性，未达到A级曲面的标准，当然这是实际情况的需要，体现了真正的设计意图。CRH1动车组驾驶室曲面模型的创建与曲面质量分析对于后续的列车流场数值计算、模型风洞试验、外板模具制造具有重要意义。本文只侧重介绍了CRH1动车组驾驶室曲面创建与质量分析方法，而对后续的流场计算、外板模具加工、安装与焊接等问题仍有待于做进一步的研究。

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