（机械工程专业论文）磁悬浮列车司机室的设计制造技术.pdf

捅璺 磁悬浮列车司机室的设计制造技术 邬建民 指导老师：汤文成张恺 学校：东南大学 摘要 中国北车集团唐山机车车辆厂和北京交通大学共同研制开发了某磁悬浮列车项目， 成功开发后将试用于北京市区至八达岭长城的磁悬浮旅游观光列车。南京晨光集团承担 了磁悬浮列车铝合金司机室项目的部分设计制造工作，本文主要总结探讨了c a d c a m 技 术在该项目中的应用以及该产品的生产制造工艺。 本论文通过对磁悬浮高速列车高速运行所引起的空气动力学问题作初步分析，并利 用p r o e n g i n e e rw i l d f i r e 2 0 软件进行三维造型设计，设计出较为合适的流线型司机 室车身。对司机室进行了模态分析，得到了各阶振型和固有频率。 c a m 应用主要是针对实际生产制造过程中的复杂曲面钣金件无模具成形以及司机室 骨架零件制造问题，利用计算机技术解决了生产实际中的问题。通过前期的焊接试验制 定了合理的焊接工艺，确保了铝合金结构焊接圆满成功。 通过该项目的实施加深了我单位对c a d c a m 技术的理解，也提高了我单位c a d c a m 技术的实施应用能力。 关键词：磁悬浮列车司机室三维造型钣金件成型 铝合金焊接 英文摘要 t h e d e s i n ga n dm a n u f a c t u r et e c h n o l o g yo fm a g l e v t a r i n sc a b 沁j i a n m i n t u t o r ：t a n gw e n c h e n g z h a n gk a i s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s i r a c l _ n o r t h e r nc a rg r o u pt a n g s h a nr o l l i n gs t o c kp l a n ta n db e i j i n gt r a f f i cu n i v e r s i t yo fc h i n a j o i n t l yd e v e l o p e dap r o j e c to fm a g l e vt r a i n m a g l e vs i g h t s e e i n gt r a i nw h i c hw i l lb et d e do u ti n b e i j i n gc i t yt ot h eg r e a tw a l li nb a d a l i n gw h e nt h em a g l e vt r a i ni ss u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d n a n j i n gc h e n g u a n gg r o u pu n d e r t o o kt h ep a r td e s i g ni t e mo fm a g l e vt r a i n sa h u n i n i u ma l l o y c a b t l l i sp a p e rc h i e f l ys u m m e du pt h ea p p l i c a t i o no fc a d ，c a m st e c h n o l o g yi nt h ep r o j e c t ， a n dt h ep r o d u c t i o nm a n u f a c t u r et e c h n o l o g yt ot h ec a b ( w e l d i n gt e c h n o l o g ym a i n l y ) 8 8w e l l t h i sd i s s e r t a t i o ni st h a ti n i t i a l l ya n a l y s i st h ea e r o d y n a m i c sp r o b l e mc a u s e db yt h e m a g l e vt r a i nf u l l sa tah i g hs p e e da n dm a k eu s eo ft h ep r o e n g i n e e rw i l d f i r e 2 0s o f t w a r et o d e s i g no u tt h ec o m p a r a t i v e l ys u i t a b l e 3 dm o d e lo fa u t o m o b i l eb o d yw i t hs t r e a m l i n e dc a b t h e m o d e la n a l y s i sh a sb e e nt a k e nt ob et h ec a bb yt h e s i s ，a n dg o te a c hs t e p sm o d ea n dn a t u r a l f r e q u e n c y d u r i n gt h ep r a c t i c a lm a n u f a c t u r e ，w i t ht h ec a mc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t ot a k et h es h a p e o fs h e e tm e t a lp a r t so fc o m p l e xc u r v e ds u r f a c ew i t h o u tt h em o d e l a n dt or e s o l v et h ec a b f la m ep a r t sm a n u f a c t u r i n gi s s u e s e s t a b l i s hr e a s o n a b l ew e l d i n gt e c h n o l o g yb yw a yo ft h e e a r l ys o l d e r i n gt e s t ，a n de n s u r e dt h a tt h ea l u m i n i u ma l l o ys t r u c t u r ew e l d i n gi sc o m p l e t e l y s u c c e s s f u l t h eu n d e r s t a n d i n gf o rc a d c a m st e c h n o l o g yo fo u rc o m p a n yw a sd e e p e n e di n i m p l e m e n t a t i o nb yt h i sp r o j e c t ，a n da l s or a i s e dt h ei m p l e m e n t a t i o na n da p p l i c a t i o na b i l i t yo f o u rc o m p a n yf o rc a d c a m st e c h n o l o g y k e yw o r d s ：m a g l e vt r a i n ，c a b ，3 dm o d e l ，s h e e tm e t a lp a r t ss h a p i n g ，a l u m i n u ma l l o yw e l d i n g 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得东南大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谫 意。 研究生签名：墼 日期：川口， 东南大学学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学 位论文的复印件和电子文档，可以采用复印、缩写或其它复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除了在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文 的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 导师签名 ：珈a 攻 日期：一扩d 厂 第一苹绪论 第一章绪论弟一草缮化 1 1 国内外列车发展状况 当今，发展高速列车是各国的一个主要战略，许多国家都在运营高速列车，如德国 城市快车i c e 、日本新干线和法国高速列车t g v ；而且，许多国家都正在建设高速列车。 所以相关工作如研究高速列车空气动力学、改进现有的传统铁路和发展新一代的高速列 车系统是迫切需要的。我国政府也意识到这一问题，在2 0 0 6 年的全国铁路工作会议上， 铁道部部长刘志军在会上向全国各路局局长宣布，“十一五”期间，中国将完成时速在 3 0 0 公里以上的客运专线大约5 4 5 7 公里。从2 0 0 6 年到2 0 1 0 年，中国将投资1 2 5 0 0 亿元 人民币，建设1 7 0 0 0 公里铁路新线。其中客运专线7 0 0 0 公里，这些客运专线主要有京 沪、京广、京哈、沈大、陇海等，列车时速将达到2 0 0 至3 0 0 公里。中国北车集团唐山 机车车辆厂和北京交通大学共同研制开发了某磁悬浮列车项目，成功开发后将试用于北 京市区至八达岭长城的磁悬浮旅游观光列车。南京晨光集团承担了磁悬浮列车铝合金司 机室项目的部分设计制造工作，工作中开展了c a d c a m 技术的实施应用。 1 2c 仰c a m 技术概述 1 2 1c a d c a m 技术发展与回顾 计算机辅助设计与制造( c a d ：c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a m ：c o m p u t e ra i d e d m a n u f a c t u r e ) 技术是以计算机、外围设备及其系统软件为基础，包括二维绘图设计、 三维几何造型设计、有限元分析( f e a ) 及优化设计、数控加工编程( n c ) 、仿真模拟及产 品数据管理( p d m ) 等内容。随着i n t e r n e t i n t r a n e t 网络和并行工程、高性能计算及事 务处理的普及，异地、协同、虚拟设计与制造及实时仿真也日益得到广泛应用n 1 乜3 1 。 第一代c a d c a m 软件的开发始于6 0 年代中期，是以交互式图形生产技术为基础而建 立的应用技术系统，主要解决二维绘图和简单的数控加工。例如美国i b m 公司研制了s m s s l t m s t 设计自动化系统和主要用于二维绘图的c a d c a m 系统；美国通用汽车公司为设计 车身和外形而开发的c a d 一系统等。在自动编程方面，美国航天空间协会( a i a ) 在麻省理 工学院的协助下，相继开发了a p t ， a p ti i 和a p t i i i 系统。这一时期的c a d c a m 系统的共 同缺点是以二维为主，a p t i i i 语言还不能实现处理曲面的功能，且规模庞大、价格昂贵。 第二代的c a d c a m 系统软件的开发是在7 0 年代。这一时期c a d c a m 技术日趋成熟，以 小型和超级小型计算机为主机的c a d c a m 系统进入市场并形成主流；一批专门经营 c a d c a m 系统硬件和软件的公司相继出现，如c o m p u t e rv i s i o n ，i n t e r g r a p h y ，c a l m a ， a p p l i c o n 等。这一代c a d c a m 系统的主要特点是可实现二、三维绘图和资料加工：线框、 东南大学工程硕士学位论文 曲面和实体建模、有限元分析等，是一个多数据库和分散数据结构、顺序设计过程的系 统。第二代c a d c a m 系统的主要缺点是难以实现系统的真正集成、获取信息受限制、缺 乏数据管理功能，对于三维几何造型技术也处在初级阶段。 第三代c a d c a m 系统软件的开发是在7 0 年代中后期，工作站的出现再次推动了 c a d c a m 技术的发展，工作站是以个人计算环境和分布式网络环境为前提的高性能计算 机，以工程工作站为基础的c a d c a m 系统具有较高的响应速度，其功能已超过了小型机 的c a d c a m 系统。这一代系纹的主要特点是使用单一数据库和统一的数据结构，使系统 实现集成和各分系统间的全关联，提供了产品数据管理功能，使用比较方便，并采用c 或c + + 语言编码。但在资料交换技术、工程数据管理系统、产品建模技术和实用智能化 的c a p p 技术方面还刚刚起步。 1 2 2c a d c a m 技术研究现状 c a d c a m 技术起源于航空工业和汽车工业。c a m 的发展以1 9 5 6 年m i t 开发的数控加 工自动编程语一言a p t ( a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m e dt 0 0 1 ) 作为开端。而c a d 的发展通常 以1 9 6 1 年m i t 实验室的i e s u t h e r l a n d 发表的一篇关于人机交互的图形系统博士论文为 起点。c a d c a m 技术经过半个世纪的发展，在理论、技术、系统和应用等方面都有了较 大的进步。c a d 技术从仅依赖计算机技术和显示技术的初级阶段发展成为以几何、拓扑、 代数几何、代数拓扑、图论、群论为基础，具有完整、坚实的理论基础，使用多种数学 方法的综合性科学；c a m 技术主要涉及到数控加工编程及相关工装、工艺、过程设计等。 随着c a d 技术的发展，数控加工编程系统也从手工编程、数控语言编程、数控图像编程 到今天的将产品的设计与图像编程相结合的阶段，实现有效地与c a d 集成，成为c a d c a m 系统的集成化应用模块，与c a d 部分共享统一的数据结构，充分利用c a d 阶段的几何信息 进行加工工艺方案的制定，刀具轨迹的自动生成和图形仿真。c a m 系统一般包括零件几 何建模、零件加工轨迹定义、零件加工过程仿真、生成数控加工代码( n c 代码) 等功能。 第一代c a d 系统主要是二维绘图系统，它提供标注符号和尺寸的功能，将设计人员从大 量重复性的绘图工作中解脱出来：第二代c a d 系统主要特点是三维描述功能及与其他软 件包的接口( 如有限元模型) ，用户可以更直观地得到产品，真实的三维形状，从各个方 面观察，验证所设计的产品，并能进行产品的一些功能分析，以验证所设计的产品是否 满足设计要求；第三代c a d 系统将功能扩展到曲面和实体、造型相结合，信息更完整， 适用于加工、分析，出现了一些c a d c a m 集成的系统；第四代c a d 系统即目前的c a d 系统 是一种集成多功能化的系统。它一方面提高t c a d c a m 的集成渡，另一方面参数化技术、 第苹绪论 变量化技术和特征技术得到广泛应用。参数化技术的特点是：基于特征、全尺寸约束、 全数据相关、尺寸驱动设计修改；这在一些通用件设计者创造力和想象力的发挥的同时 在设计中改变顺序或关键的拓扑关系发生变化，失去某些约束等会导致系统数据混乱 为此，美国的s d r c 公司研究了变量化技术并在它们的商业软件i d e a s 中采用h 1 。 目前，国内外正出现了许多不同层次各具特色的c a d c a m 系统，这些软件大部分起 源于汽车、航空业，并在使用中不断发展成熟起来。 ( 1 ) p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc r o p 公司的p r o e n g i n e e r 以其参数化、基于特征、 全相关等概念闻名于c a d 界。该公司新推出的p r o e n g i n e e r 2 0 0 0 i 2 又增加了柔性工程技 术，包括可视化检查( v i s u a ls e a r c h ) 、形状索引( s h a p ei n d e x i n g ) 、特征灵活性( f e a t u r e a g i l i t y ) 、行为建模技术( b e h a v i o rm o d e l i n g ) 、疲劳预测( f a t i g u ep r e d i c t i o n ) 、 c d r c 渲染( c d e cr e n d e r i n g ) ，这些人性化的设计技术可以使设计者把精力集中到优化设 计和产品的创新上，从而提高设计效率。其参数化特征造型的功能贯穿于整个系统，包 括特征、曲面、曲线以及线框模型等。 ( 2 ) s d r c 公司的l - d e a sn a s t e rs e r i e s 是高度集成化的c a d c a e c a m 软件系统。在 单一数字模型中完成从产品设计、仿真分析、测试直至数控加工的产品研发全部过程。 附加的c a m 部分i - d e a s c a n a n d 可以方便地仿真刀具机床的运动，并采用v g x ( v a r i a t i o n a lg e o m e t r ye x t e n d e d ，即超变量化几何) 技术，v g x 技术扩展了变量化产品 结构，允许用户对一个完整的三维数字产品从几何造型、设计过程、特征到设计约束， 都可以实时直接设计和修改，在全约束和非全约束的情况下均可顺利地完成造型。模型 修改允许形状及拓扑关系变化，操作简单，并非像参数化技术那样仅仅是尺寸驱动，所 有操作均为“拖放 方式，还支持动态导航、登录、核对等功能。i d e a sm a s t e rs e r i e s 在技术上是先进的，它的出现引起了人们的重视。 ( 3 ) i b m 公司的c a t i a ( 由d a s s a u l ts y s t e m s 公司开发) 是一个全面的 c a d c a m c a e p d m 应用系统。c a t i a 具有一个独特的装配草图生成工具，支持欠约束的装 配草图绘制以及装配图中各零件之间的联接定义，可以进行非常快速的概念设计。它支 持参数化造型和布尔操作等造型手段，支持与绘图和n c 的双向数据关联。c a t i a # b 形设 计和风格设计为零件设计提供了集成工具，并具有很强的曲面造型功能，集成开发环境 别具一格。 ( 4 ) e d s 公司的u g 源于航空业汽车业，以p a r a s o l i d 几何造型核心为基础，采用基于 约束的特征建模和传统的几何建模为一体的复合建模技术。由于几何和尺寸约束在造型 的过程中被捕捉，生成的几何体总是完全约束的，约束类型是3 d 的，而且可用于控制参 一1 东南大学工程硕士学位论文 数曲面。u g 具有统一的数据库，实现t c a d ， c a e ， c a m 之间无数据交换的自由转换， 实现了2 2 5 轴、3 - 5 轴联动的复杂曲面加工和锉铣，一般认为u g 是业界最好、最具有代 表性的数控软件，提供了功能强大的刀具轨迹生成方法。包括车削、铣削、线切割等完 善的加工方法，它同时提供女h g r i p 等二次开发工具。 ( 5 ) 法国m a t r a - d a t av i s i o n 公司的e u c li d 集成系统是一个集机械设计与工厂设计于 一身的企业级并行工程解决方案。其实体造型功能可直接用于曲面，表现出突出的拓扑 运算能力。e u c l i d 采用面向对象式的数据库，由于采用了统一数据库，在三维实体、 复杂曲面、有限元分析等不需要任何数据转换，用户有在修改某部分设计时，其它相 关数据会自动更新。 ( 6 ) 以微机为硬件环境的中档c a d c a m 系统。随着象w i n d o w s n t 这样的3 2 位操作系统 的流行和微机性能的提高，一些主要以工作站为硬件基础的软件开始支持微机，如 i d e a s ，u g ，p r o e n g i n e e r 等纷纷从u n i x 平台移植至i j n t 平台；另一种是从w i n d o w s 坏境 向上发展的系统，近年来发展较快的中低档c a d c a m 软件有m d t ( a u t o d e s k 公司开发，以 a c i s 为几何核心) 、s o l i d w o r k s 、采用基于组件对象模型( c o m ) 技术和s t r e a m 技术的 s o li d e d g e ( u g 收购i n t e r g r a p h 公司的产品并改造) ，以色歹u c i m a t r o n 公司的c i m a t r o n 是 基于c a d c a m p d m 的产品。国内的c a d c a m 系统主要依靠于高等院校，如具有自主版权 清华大学开发的g h g e m s c a d ；具有三维功能并与有限元分析、数控加工集成的浙江大学 的g s m c a d ；具有参数化功能和装配设计的华中理工大学和南航也分别开发了i n t es o l i d 和s u p e r c a d ；北航的“金银花系统是基于s t e p 的c a d c a m 集成制造系统以及国内较早 的p a n d a 系统、北航海尔的c a x a ，也得到广泛应用。 1 2 3c a d c a m 的发展趋势 目前，激烈的市场竞争不断向c a d c a m 提出更新更高的要求，另外人工智能技术、 网络技术、软件工程中面向对象的方法以及工程数据库技术的发展也为c a d c a m 技术的 提高注入新的活力，使c a d c a m 技术不断向着集成化、智能化、标准化、网络化方向发 展。 1 2 3 1 集成化的研究 c a d c a m 系统的集成化主要包括三个方面：产品数据模型的集成化、产品设计过程 的集成化以及产品设计功能的集成化。产品数据模型的集成化，要求系统支持产品从功 能设计到详细设计各阶段的产品信息，也支持设计过程中大量的非精确，不完整的产 品信息；即支持完整精确的信息。产品设计过程的集成化，要求系统支持产品整个设计 4 第一章绪论 生命周期，包括设计过程的监控，不同设计过程之间的模型转换，同一设计过程中多 个共存产品模型的转化及管理，设计历史维护等。设计功能的集成化，要求c a d c a m 系 统将众多的单独设计功能组合成一个统一的设计环境，为设计人员提供设计过程中各种 设计活动的支持，它将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统 工程技术等有机结合起来，使产品整个生命周期涉及到有关人组织、经营管理和技术 以及其信息流、物流和价值流有机集成并优化运行，正在从当前企业内部的信息集成和 功能集成，发展到过程集成( 以并行工程为代表) 、并正在向企业间集成( 以敏捷制造为 代表) 方向发展。 1 2 3 2 智能化设计与优化设计的研究 人类的设计活动体现了人类特有的智能行为，设计人员的创造性活动对设计质量、 产品创新起着决定性作用，智r i , - c a d 技术，在更高的创造性思维活动层次上将给予设计 人员有效的辅助，是真正意义上的计算机设计、推理技术、神经网络技术以及模糊推理 等技术在智f l 皂c a o 中得到广泛应用。c a d 系统中的智能行为包括捕捉设计者的设计意图， 设计目标的规划，设计问题的自动求解，领域设计知识的获取与应用，约束满足求解， 正反向推理以及设计过程与方法更接近人类的思维，从而使设计的自动化程度更高。另 一方面，随着技术系统的日益复杂，设计人员及设计的出发点不同，设计方案并不唯一， 这就要求系统以产品的全系统、全性能、全过程优化为目标，集建模寻优、分析、再设 计为一体，综合运用专业知识和先进的优化方法实现并寻优，并运用可视化等技术对 寻优过程和优化结果进行分析，提供再设计建议。 1 2 3 3 标准化研究 随着c a d c a m 技术研究的深入，各国各企业针对本行业的特点都开发了一些有代表 性的c a d c a h i 系统，有的擅长曲面设计，有的擅长工程分析，有的则主要解决n c 加工 问题。而要充分利用这些系统的长处，取长补短以及企业间信息的交换，这就涉及虱j c a d 数据的相互交换，因此，要有一个数据交换的标准。在各国制定的众多数据交换标准中， 影响范围最大的是美国的i g e s ( i n i t i a lg r a p h i c se x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ) 图形交 换规范，并且已经成为事实上的国际标准。几乎所有国际知名c a d 系统都支持i g e s 接口， 但i g e s 只支持产品的几何信息，还未覆盖产品从设计到制造的全部信息，如材料，制造 公差，表面粗糙度要求和生产管理信息等。国际标准化组织制定了产品数据表达和交换 国际标准s t e p ，它提供了四个层次的产品数据共享实现方法：a s c i i 码中性文件；访问 内存数据结构；共享数据等；共享知识库，在此基础上保证c a d d a m 系统中数据的一致 性和完整性，减少重复信息的输入量。是否应用符合国际标准的数据，己经成为c a d c a m s 东南大学工程硕士学位论文 系统在国际市场上是否被用户接受的重要条件。 1 2 3 4 网络化的研究 网络化是计算机技术发展趋势之一，这是计算机通信、电子学、光电子、多媒体等 综合发展而形成，i n t e r n e t ，i n t r a n e t 和e x t r a n e t 技术的发展为c a d c a m 系统开创了一 个新天地，过去那种单人、单机的设计己不适应c a d d a m 技术的发展，既难以实现资源 共享，并行工程以及敏捷制造的应用，又不利于企业的管理保密，同时企业内部和企业 间的信息交换也日益增多，因此网络化是c a d d a m 系统发展的一个必然趋势，通过网络 企业内部将c a d ，c a m 和c a e 以及管理与决策信息系统联成一体，以实现数据交换，共享 和集成，提高整个系统从设计到制造全过程的效率。各企业可形成虚拟企业相互取长补 短、发挥各自最大的优质，实现产品的国际化开发和生产，为企业取得更大的效益服务。 6 第二章列车的空气动力学问题 第二章列车的空气动力学问题 在过去的6 0 年中，飞机的发展受到广泛重视。流体动力学、结构力学和自动控制 工程对当前的航空航天技术做了巨大的贡献。在它们中间，主要关于气动阻力方面的流 体动力学在飞机和飞行器的发展中起到了重要的作用。 相对来说，关于整个列车系统的流体动力学方面的研究则很少。可能因为和飞机相 比列车以较低的速度、沿固定的轨道行驶这一事实，所以关于列车系统的空气动力学问 题从空气动力学角度不能被重视。近年来，列车的速度超过了3 0 0 k m h ，速度将近可与 原来的飞机相媲美。而且，高速列车在运输中越来越起着重要的作用。所以与列车相关 的研究工作也需要进一步开展。 目前，伴随着列车提速引起的空气动力学及空气声学问题作为实际亟待解决的工程 问题而倍受关注。随着列车的提速，很多在低速情况下可以忽略的工程问题突现出来了， 比如当列车速度达到2 0 0 k r n h 时，空气阻力占全部运行阻力的7 5 以上；另外由于较高 的运行速度带来的较大的空气作用力会对列车的诸如倾覆稳定性、运行稳定性、安全线 距、周围建筑物和环境噪声，及会车压力波和进出隧道及隧道会车等带来了较大的影响， 即这些空气动力学噪音、振动、列车交会引起的脉冲压力、隧道出口的脉冲压力波和列 车内部乘客的耳鸣等是列车提速受限的主要因素。 以上提到的空气动力学问题和列车周围的流场有密切的关系。然而到目前为止，为 了提速在增加电机能量方面做了较大的努力，而不去研究列车周围流场特性方面因而找 到一个适当的控制方法。因为列车周围由于速度的增加引起的紊流分布导致了能量的巨 大损失和列车运行的恶化；进一步流场能量被转化为空气阻力、噪音和振动。磁悬浮列 车最高时速达5 0 0 k m h ，基于此，所以作为高速列车的代表发展方向之一，它的空气动 力学特性必须要加以认真地研究，并在设计工作中加以注意。 目前，国内外研究列车空气动力学主要采用风洞试验和数值模拟方法。风洞实验的 结果比较准确亦比较成熟，但需要巨大的人力物力。而数值模拟则不同，能直接在计算 机上模拟出列车的各种空气动力学工况，可用于高速列车空气动力学性能的研发，且 开发周期短，经济投入少，灵活性大，是目前较为流行的方法，它正随着计算技术的发 展逐步走向完善嘲阳1 。 目前国内对轮轨高速列车的外部流场仿真研究发展很快，铁道科学研究院、西南交 通大学、中南大学等单位的研究人员对此都进行了详细的研究口儿町p 儿1 们。在对磁悬浮列车 研究过程中，有一种观点认为磁悬浮列车没有轮对及传动装置，紧贴地面，因而空气阻 东南大学工程硕士学位论文 力小，节省能源。虽然磁悬浮列车没有轮轨阻力和机械传动阻力，但空气阻力究竟多大 缺乏理论研究。本文将对以下问题进行探讨：磁悬浮列车车体比轮轨列车要宽，为3 7 m ， 而轮轨列车的车体宽度为3 1 m 左右，这样使得磁悬浮列车的迎风面比轮轨列车大，可 能使得它的空气阻力增大：磁悬浮列车线路构造为轨道梁，并且列车与线路外包，这些 形状是否对列车的运行空气阻力造成一定影响，有待研究；磁悬浮列车与轨道之间极小 的只有1 0m m 的间隙对列车的空气阻力和噪声的影响大小也不清楚，需要研究。本文以 s t a r c d 气动分析软件为基础，采用k 一双方程湍流模型对磁悬浮列车的外部流场进行 分析研究。 2 1 数学模型 因为磁悬浮列车时速可高达5 0 0k m ，对应马赫数约0 4 左右，列车运行时对空气冲 击所造成的气体压缩不能再忽略。故磁悬浮列车外部绕流问题一般采用三维粘性非定常 流动处理，又由于流场雷诺数一般大于1 0 6 ，故流场作为湍流流动处理。本文采用k 一 双方程湍流模型，其流场计算的数学模型可用下面的控制方程组描述。 ( 1 ) 连续性方程 空+ d i vp v = 0( 1 ) 融 ( 2 )动量守恒方程 挲+ d i v ( p v u 一心a d l 2 ) = 一警+ d i v ( 罢) ( 2 ) o t d 锻 挈+ d i v ( p v v - - x g r a dy ) = 一罢+ d i v ( 婺)( 3 ) 0yo y _ a p c o + d i v ( p 玩一g r a d 国) = 一罢+ d i v ( 一= a - v ) ( 4 ) o t 院陇 ( 3 )湍流动能k 方程 警+ d i v ( p 阮一瓦f lg r a d t ( ) - g 一舻 o t o o ( 4 )湍流动能耗散率占方程 警圳p 溉一尝g r a a 沪昙cc 。g _ 伊， 2 2 有限体积法的离散及求解 ( 1 ) 有限体积方程 ( 5 ) ( 6 ) 第二章列车的空气动力学问题 a p 彤= 芝4 。群+ s 。+ b p 群 其中a 。表示对流与扩散的效果 b p 三( p y ) 。6t 和a p - - - y , 4 。+ s 2 + b p ( 2 ) 用p r e s s u r ei m p l i c i tw i t hs p l i t t i n go fo p e r a t o r s ( p i s o ) 算法进行求解 砟0 = h ( _ ) + b 罟j i , o + s 。+ d p ( 昂+ 一哪一) ( 8 ) 其中h ( a l ) 三乏彳。 方程( 8 ) 最后一项是相对压力梯度a p ax ，的有限体积近似值，d 口是一个几何系 数。 ( 3 ) 计算网格的划分原则 计算区域的划分采用的是非结构化网格，对车体近壁层的网格细化( 靠近壁面的网 格细化原则参见文献 7 ) ，以满足附面层计算的精确度；远离车体的网格采用稀疏网格， 以减小计算量和加快收敛速度。 2 3 仿真计算及结果分析 2 3 1 计算对象 本文针对目前上海选用的德国t r 一0 8 型磁悬浮列车为原型进行建模。计算工况分 为1 6 0 、2 7 0 、3 5 0 、4 0 0 、5 0 0k m h5 个列车运行速度等级，以考察磁悬浮列车周围的 流场分布。为多方位比较分析磁悬浮列车的空气动力问题，本章建立了以下3 个计算模 型。 ( 1 ) 模型1 此模型与德国t r 0 8 型磁悬浮列车相同，部分计算外形示意图如图2 1 所示。该 车宽3 7m ，高4 1 6m ，车头流线型头部长度约为5 m 左右，列车横截面形状为四周圆 滑过渡的矩形，迎风截面面积为1 2 3 9m 2 。计算域大小为7 7 0mx6 0mx3 0m ( 长x 宽x 高) ，入口距离列车头部2 0 0m ，出口距列车尾部5 0 0m 。在计算域中，轨道无限长， 即长度从计算域入口到出口。 图2 - 2 模型计算外形示意崮 ( 3 ) 模型3 以模型l 为原型，列车的上部形状与模型l 相同将列车在轨道梁顶面以下的部分 作为转向架外包部分，车体横断面形状与模型l 牛【i 同，图2 - 3 为列车的简化计算模型示 意图。计算域大小以及列车模型位罱都1 j 模型l 相i 叫。建立此模型目的是比较分析轮轨 与磁悬浮的流场差异。车宽为37 m ，年高41 6 m ，计算模型离地间隙为3 0 0 l i n 。迎风截 面面积为1 44 8m 2 。 一# “$ 的生。l 动山学目题 232 结果分析 ( 1 ) 计算空气阻力分析 图2 - 4 、2j 分别为3 种模型的空气阻力系数及空气阻力的计算结果比较。模型1 和模型2 的运行空气阻力大小很接近，但是模型2 的迎风截面碱小，使得其阻力系数要 大于模型1 的阻力系数。模型3 的运行空气阻力比模型l 、2 的空气阻力小1 3 左右( 如 衷2l 所示) ，并且模型3 的迎风截面积比模型l 、2 都大，因此其空气阻力系数在三者 中最小。 i r a 越1 h - h 百詈老蕊 1 模董l模型2模型30 嚣= 譬嚣。 ( 2 ) 外部流场分布分析 对于模型1 ，在轨面以下，由于导向轨与轨道的相对运动，并且两者之间的问隙较 小，造成此空间内的流动分离，形成一对涡流。在车体的一侧还有一对方向相反的涡流 ( 图26 所示) ，u ，能是山于导向轨与导向磁铁外包形状的差异，两处车体表面流动分离 形成一对涡漩。 对于模型2 ，在列车的侧面以及车底各有一对涡流生成，可能由于侧面与底部连接 边缘较尖锐造成此处的流场扰动加剧，产生分离的流场( 如图2 7 ) 。 对于模型3 列车周田流场基本没有流动分离，仅在底部与地面之间的流场有些扰 动( 如图28 ) 。尾流场中也仅有一对纵向涡流生成。 尔南j 、# t 顺l 学位论立 0 o o7 0 0o g 鼍。曲 i d m 0 豳24 空气阻力系数比较 凹25 运行牛气阻力比较 鞲i 辨。懋 图2 - 6 模型1阁2 7 模型2 距列车前端5 处 距列车前端5 m 处 横截面内流场分布 横截面内流场分巾 ( 3 ) 列车车头、车尾的表面压力分布比较 酗28 模型3 距列车前端5 m 处 横截面内流场分布 从图2 9 分析表明，三个模型车头的雎力分如基本相似模型l 和模型3 的中问车 身压力分布比较均匀，而模型2 的车身上压力有大的波动，此为靠近肩部的一对涡流影 响所致。尾部的压力分布规律也是模型l 和3 基本相似，而模型2 尾部流场的复杂性， 造成与模型1 、3 的差异。 2 4 结论 。 芬 坼 靛 出 罔2 - 93 种模型的压力分布 磁悬浮列车的线路外包j b 状对运行阻力的影响不大，并且不外包的流场相对复杂， 阻力系数也有所增大，因此流线型的外包形状比较有利于列车周围气体的流动。 模型l 的外流场比较复杂车体周围始终存在涡流，能量耗散较大，臣i 此引起的运 m仲：宝吣小州舶圳 第二章列车的空气动力学问题 行空气阻力比模型3 大1 3 左右( 表2 一l 所示) 。可见，相同头型和迎风截面歼形酌花轨 式列车的运行空气阻力要小于磁悬浮列车的空气阻力。 磁悬浮列车与轨道之间l o m m 的问隙对空气噪声的影响，本文作者希望这方面的工 作将是未来的研究方向。 第二苹司机室外型设计 第三章司机室外型设计 铁路高速化的主要问题可以归纳为空气动力学、环境保护、高速行车的平稳性和安 全及制动四个方面。列车的外形和运营环境直接决定了列车的各空气动力学特征。寻求 最佳列车外形的主要目的是降低空气阻力和能耗，提高列车运行速度，提高列车运行的 安全性和舒适度。目前，随着铁路不断提速的要求，为了高速列车运行时的空气阻力和 减少对周围环境的气动影响，高速列车动力车外形的流线型设计己经成为一种发展的趋 势。本文借助三维造型软件p r o e n g i n e e r 设计并建立磁悬浮列车车头的三维模型。为满足 研究的实用性，并参照i c e y l j 车、蓝箭号动车组、s s b 机车，设计建立了磁悬浮列车的司 机室模型，并就p r o e n g i n e e r - - - 维设计软件的应用进行初步的探讨。 3 1 流线型设计思想 高速列车流线型设计，即气动外形设计是按照改善列车行驶时的空气动力学性能的 要求来设计基本的列车外部形状，流线型的设计关键在于动力车司机室外形的设计，既 要满足流线型外形美观，又要满足气动性能的要求，还要满足列车外形车体结构其有良 好的力学性能需要，便于结构承载传力的同时，保证车体结构的安全性。显然关键部分 是司机室的结构设计，它是车体结构强度、气动性能、制造工艺、人机工程与造型设计 等诸多知识的综合。同时根据空气动力学理论，经过空气动力学数值模拟及风洞模拟试 验优化设计而成，得到具有较好的空气动力的特性的设计。 流线型动力车外形大致可以分为动力车头部( 司机室) 和车身( 车体中后部) ，其中列 车车身外形横截面为腰鼓形，司机室的外形是由多个自由曲面和平面的组合。由于列车 外形空间结构曲面造型的复杂性和必须具备良好的气动性能和开阔的视野等因素，使其 成为动力车车体结构设计的难点。 3 2 司机室外型设计要求 列车的头部、尾部形状对列车的空气动力学性能有重要的影响：为得到较好的列车 的空气动力学特性，必须设计流线型的机车外形，同时为了对不同头型列车进行比较， 所以设计时参考了三种不同参数的列车模型。为不失实际工程参考价值，在考察国内外 各种列车的基础上，参照现有的德i 亘i c e 2 ，瑞典x 2 0 0 0 的外形结构，国i 为2 7 0 k m h 动车组、 蓝箭号动车组，s s s 机车，设计建立了此磁悬浮列车的司机室模型。具体实际建模过程 见第四章】。 3 2 1 列车司机室形状设计指标及原则 ( 1 ) 气动阻力小为降低车头的摩擦阻力采用缓慢变化的紊流边界层形状，控制车辆 尾部边界层分离以减少压力阻抗。 1 4 东南大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 气动噪声最小为控制车头部的边界层噪声，采用宽广的层流区，使车体侧面流 速的峰值下降。 ( 3 ) 对微气压波采用对策采用最佳的车头部断面变化率，缩短缓冲噪声工程长度。 ( 4 ) 考虑乘坐舒适度采用边界层分离少的形状，因为它是防止产生车辆尾部振动横 向摆动的主要原因。降低会车时压力变化。 3 2 2i c e 等列车的参数 德国i c e 的结构为了使机车车辆的标称阻力减至最小，并使因会车和通过隧道时所 产生的空气传声千扰效应最小，由德国航空航天实验研究所、m b b 公司和克劳斯一马菲 公司完成研究，基本上确定了i c e 的外形。i c e 系列包括i c e i ，i c e 2 ，i c e 2 2 和i c e 3 ( i c e 3 运行速度可达到3 3 0 i ( i i l h ) 等，以及最新型的主动摆式列车i c t 。 i c e 的外形在机车车辆设计中采用小端面以及平滑表面，端部形状经过优化后，前 后端阻力及摩擦力得到显著的降低。同时i c e 的研究重点在地板下即转向架区域，并进 行车顶上部结构以及通过台的设计，设法减轻侧风的影响。对车顶上部结构的布置提出 由于空气动力学和空气声学的原因，应使动力车与顶截面的上部结构和凹进部分尽可能 平滑。对侧墙与车顶和底板间的弯曲半径提出了建议( 4 0 0 咖) 。 列车具有无棱角的细长外形，前后端带整体整流板，顶部完全光滑，中间拖车的特 点是流线型的外壳和底壳，以及完全平滑的表面，包括齐平的车窗和门等。前端设计成 细长的形状，并采用前端阻流挡板。其司机室长度为3 6 0 0 m m ，迎风倾角为3 5 。，迎风面 积约为1 0 6 5 m 。具有挡流罩结构；最大截面离轨面高度为9 5 0 r a m ，模型离轨面距离为 2 5 0 r a m 。 蓝箭号动车组是株洲电力机车厂为提速而设计的准高速列车。其中司机室长度约为 4 7 0 0 m m ，宽度约为3 1 0 0 m m ，高度约为3 9 8 0 m m 。车体截面为鼓形断面，迎风面积约为1 0 6 m 2 。 第四章司机室三维数字模型的建立 第四章司机室三维数字模型的建立 本项目使用的三维造型软件为p r o e n g i n e e r 。通过p r o e n g i n e e r - - 维造型软件的使用， 完整的建立司机室的数字化三维模型，并生成相应的工程图纸。为保证产品性能，采用 有限元法，对模型进行了结构模态分析。 4 1p r o e 软件简介 p r o e n g i n e e r 系统主要功能如下： ( 1 ) 真正的全相关性，任何地方的修改都会自动反映到所有相关地方。 ( 2 ) 具有真正管理并发进程、实现并行工程的能力。 ( 3 ) 具有强大的装配功能，能够始终保持设计者的设计意图。 ( 4 ) 容易使用，可以极大地提高设计效率。p r o e n g i n e e r 系统用户界 面简洁，概念清晰，符合工程人员的设计