（光学工程专业论文）动车外形计算机辅助设计方法的研究.pdf

北京交通大学工程硕士学位论文 摘要 本文从工程实际出发，以三茂动车组司机室设计为主线，对 动车组外形计算机辅助设计、制造的整个过程进行了详细的探讨， 得到一整套具有实用价值的现车设计和施工的方法，为今后工厂 乃致铁路系统动车组三维设计探索出一条切实可行的道路，奠定 了进一步前进的基础。 本文的研究工作主要包括： 1 ) 动车外型的计算机辅助设计方法的研究，通过对空气动力 学对动车外形设计的影响的分析，与相关院所合作完成了 三茂动车组外部型线设计，进一步建立了动车外型的数字 化三维曲面模型：并在此基础上进行了外部尺寸设计和色 彩设计。 2j 动车头部彗构设计对已建立的动车卦型的熬字也摸型连 行，按铁道车辆强度设计及试验鉴定规范 ( t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 ) 进行了有限元分柝和外形结构强度校 验，完成了三茂动车组头部结构详细施工工程设计和工艺 设计，并结合工厂实际提出了一套有效的c a d c , , t 数据转 换的方法。 3 ) 动车纽司槐。室人机界面设计，从人机工程角度出发，完成 了动车组司机室操纵台、照明、内饰、空调，设备布置等 人机环境设计。 主题词：动车组外形计算机辅助设计 北京交通大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t s t a r t i n gf r o mt h ee n g i n e e r i n gf a c t ，t h i sa r o i c l ed e s c r i b e st h e c o m p l e t ep r o c e s so ft h ed e s i f i n i n ga n dm a n u f a c t u r i n go fr a i l c a rs e t e x t e r i o ri nd c t a i lb a s e do ht h er a i ! c - 一rs c tc a bf o rs a n 皿a o 。a n da s e to fv a l u a b l ed e s i g na n dm a n u f a c t u r em e t h o dh a sb e e ng o t t e na n d af e a s i b l ew a yf o r3 - dr a il e a rs e td e m g nh a sb e e ne x p l o r e df o rt h e f a c t o r ya n dr a i l w a ys y s t e mi nt h ef u t u r e a n dm a k e sas t a b i l i t y a d v a n e i n gf o u n d a t i o nf u r t h e r t h i sa r t i c ! e sr e s e a r c h i n gm a i ni n n l u d i n g ： 1 ) c a dm e t h o dr e s e a r c h i n gt ot h er a i ! c o xe x t e r i o r t h r o u g h a n a l y z i n ga e r o d y n a m i c sa f f e c tt or a i l c a re x t e r i o rd e s i g n ，t h e r a ii c a rs e ee x t e r i o rh a sb e e nc o m p l e t e db yc o o p e r a l i n g * i t h c o r r e l a t i o ni n s t i t u t e s f u r t h e rt h ed i g i t a l3 加c u r v e ds u r f a c e m o d e lo fr a i l e a re x t e r i o rh a sb e e ne s t a b l i s h e d a n db a s e do nt h i s 。 w ec a r r yo ! ! t h ee x t e r i o rd i m e n s i e nd e s i g na n dc o l o rd e s i g n ； 2 ) r a i i c a z h e a ds t r u tc u r ed e s i g n h c c n r d i n gt o r a i l w a yv e h i c l e i n t e n s i o nd e s i g na n dt e s te e r t i f l o a t cc r i t e r i o n ( t b t i 3 3 5 一 i 0 0 s j ：i d 二f j 蔓赴；j ；婆a = ：2 , p a j 丫量sa * le x t e r j 贸s t t i i ? t ：i l r e i n t e n s i o nt e s l t ot h er a i l c a l e x t e r i e rd i g i t a lm o d e lt h a tw eh a v e e s t a b i s h e d a n dw eh a v ec a m p | e t c dt h os t r u c , t l l r cd e t a i l c o n s t r u e r i o nd e s i g na n dp r o c e s sd e s i g no ft h er a i l e a rs e th e a d f o rs a n m o o 。n l r t h e r h m r e ，a c c o r d i n gt nt h ef a c t o fo u rf a c t o r y ； w ec a r r yo u tae f f e c t i v em e t h o do fc 仰c a md a t at r a n s f o r m i n g 3 ) t h er a i l c m rs e tc a b si n t e r f a c ed e s i g nb e t w e e nh u m a na n dm a c h i n e s t a r t i n gf r o mh u m a n m a c h i n ee n g i n e e r i n g w eh a v ec o m p e t e dt h e r a i l e a rs e tc a b i p u l a t i o nt a b l e 、i l l o m i n a t i o n 、i n t e r i o r d e c o r a t e 、a i r c o n d i t i o n 、e q u i p m e n tl a y o u te t ch o m a n - m a e h i n e e n v i r o r m e n td e s i g n k e y w o r d s ：r a i l e a r c o n t o u rc a d 北京交通大学_ ：_ 【程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 动车外形设计的国内外现状 自1 9 9 8 年国内首列流线型动车组的出现( 唐山工厂设计制造) ， 几乎所有国内动车组都采用了流线化的外形，虽然从外形上都具有流 线化的造型，但认真分析及调研后，各工厂都没有进行严格的空气动 力学分析及设计( 2 0 0 k m ! h 以上动车组除外) ，当时出现的动车组还是 以美观为第一考虑要素，而要制造出精确的流线化外形各工厂均不具 备扭应的工艺手段( 如激光切割机：锤击机等，就设甘糖度而言也难 以精确表达外形，觋唐山工厂为例( 见圈 ) 、第一组南晏动车组外形 基本依靠二维设计完成，虽然也使用了1 d e a s 作为辖助设计，但在三 维到二维的转化孛存在很多蚵题，造成了设计精度无法保证，制造中 又没有先进的激光切割设备，下辫时已造成了一鹎误差( 教棒切割机 的加工精度只有o 3 m m 左右，加之板材的不平等因素，下斟误差已很 难保证设计的要求j ，焊接后的误差更是无法进行测量。 国内对于动车组外形设计的理论文章较少，其结构设计方面的文 北京交通大学工程硕士学位论文 章更是未曾谋面，但从一些国外图片介绍中可见，国外的动车组设计 和制造是相当成熟的。 2 论文研究的内容和意义 为了提高设计和制造加工精度，满足流线化外形的要求，唐山工 厂在三茂摆武动车组的设计牵引入三维设计，所有蠡型线由中南大学 在进行空气动力学分析的基础上提供给工厂，三维造型设计由中南大 学协助工厂完成，施工图由工厂结合工厂的工艺手段、加工设备独立 完成。这样帮可以提高工厂的三维设计能力，又为工厂开晨三维设计 寻找一个契机，笔者主持并参与了所有的设计及试制过程。 1 2 1 软件的选用。 开题时，笔者曾设想用a u t o c a d r i 4 为设计平台开发一套适台工 厂使用的二旋开发软件，经过一殷时阔的思考、分析通过对中南大 学璺供鳃犁堡亲孝，a u t o c a d r l 4 平台昱然难班笼戚如此复杂的曲面 造型，因为a u t o c a d r l 4 对n u r b s 曲线、曲面篙支持太差，只能完 成最基本的一些曲面设计，而要完成此动车组的外形设计必须有极强 大的三维曲面造型能力的软件支持。i o e a s 、p 吲e n g l n e e r 、 u n i g r a p h i c s 以及a u t o d e s k 公司开发的m e c h a n i c a ld e s k t o p ( 简 称m d t ) 等，均具有n u r b s 曲面造型功麓，敛都能用来进行动车组 头部外形设计。 作为铁路行业第一批放弃图板的企业，首选的就是a u t o d e s k 公 司的a u t o c a d 软件，且已使用多年，所有数据库文件都是一步一步从 a u t o c a d r 9 开始一直到a u t o c a d r l 4 积累起来的，所有自行开发的 软件都支持a u t o c a d ，所以选用a u t o d e s k 公司开发的m e c h a n i c a l d e s k t o p ( 简称m d t ) 软件就顺理成章了。笔者也摒弃开题时选用的 a u t o c a d r l 4 作平台；以l i s p 为开发工具的思路，而直接采用_ m _ d t 6 0 2 北京交通大学工程硬 一学位论文 作为开发设计平台进行设计。m d t 是a u t o d e s k 公司开发的软件，与 a u t o c a d 完全兼容，对于用贯了a u t o c a d 的人员来说从二维到三维 也只是一些思考方法和三维技巧丽已，而没有大的难题且所有命令 基本与a u t o c a d 相同或相近使用方便，上手快捷，数据库一致，给 设计带来极大方便。更重要的一点是无需进行a u t o c a d 的二次开发， m d t 已将笔者开题报告中的思路考虑的周到无比，其界面设计也相当 友好、漂亮，所以再进行a u t o c a d 的二次开发似乎是一种徒劳无益的 工作了。故而在动车组的外形中选用m o t 是非常合理曲，而在效果图 的设计中选用了间一公司的3 _ d s m a x 5 0 软件作为平台，可保证与三维 模型的无缝联接，可直接由三维模型导出3 d s 格式文件，而在3 d s m a x 软件中直接导入3 d s 文件，通过对各部材质和灯光的设置，完成外部 美工方案设计，同时可完戚内蓑设计效果图的渲染。 北束交通丈学_ t 程硕l 学位论文 第二章动车组头部外形设计的必要性 2 空气动力学对动车井形设计的影响。 我国于线铁路客运列车长期采周机车牵引客车编组运行的方式， 机车和客车具有竞金不同的功能，从设计剖遣到运营管理、保养维修 都自成体系。当列车运行速度不太高时，这样酶编塑牵g 方武对完成 运送旅客的任务似乎并无多大影响，受影响的主要是整列车的外观形 象，因为机车和客车的编鲴具有很大的随意性，同一型号的机车可能 牵引不同型号的客车，同一型号的客车也可能由不同型号的机车牵引。 机车、客车联挂之后，从整列车的外观看，无论是形态、比例、尺寸， 还是材质、工艺，色彩，都不可熊协调，无法产生和谐统一的美感。 当列车运行速度大幅度提高后，如栗仍呆用机车牵引客车的方式， 受影响的就不只是外观形象了。因为随着速度的提高，列车受到的空 气阻力急刨增大由此产生的巍耗将急剧上井，如果牵引的客车数量 较多，单台机车的功率就远远不够了：而空气阻力和能耗，不仅仅与 速度有关，还与列车的外形密切相关，不同外形的物体以同样的速度 在空气中运动时，受到的空气阻力差别非常大。以极端情况为例，一 块垂直予运动方向嚣平板曲阻力系数高达1 3 ，再一个纺锤状f 永滴状) 的流线型物体的阻力系数帮只有o 0 5 ，窜当迎风面积相等的乎板和流 线体，以相等的速度在空气中运动时，两者受到的空气阻力相差2 6 倍。 传统的机车牵引客车编组运行的方式，因为机车和客车的编组具有很 大的随意性，无法对列车进行统一的气动外形设甘，由外形设计的不 合理造成空气阻力增大，无法将速度大幅度提高。故速度超过2 0 0 公 里，j 、时的高速列车，必须摒弃这种牵引方式而采用动车组的方式。动 车组在多台车辆上拥有动力，因而可提高整列车的牵引功率。而且动 4 北京交通大学_ ： 程碗士学位论文 车组从设计制造到运营管理、保养维修都自成一体，故可以以整列车 为对象，对列车进行统一的气动外形设计，【；己达到减小空气阻力并改 善列车空气动力性能的目的。 动车组不仅是用于高速列车，它具有起动如速快、翩动停车距离 短、可快速折返等特点，在城市内及城市近郊的轨道交通，相距较近 的城市阅交通中扮演了非常重要的角色。设计新颖、造型美观风格 突出的轨道交通车辆成为了城市中的一条亮丽的风景线，当然也给动 事组的外形设计提出了美学上的越来越高曲要求。如何使列车外形更 漂亮、更时尚，成为了人们始终不渝的追求， 动车鲤作为一种现代化的交通工具，其外形设计属于工业产品造 型设计的范畴。工业产品造型设计是工程技术与美学艺术、人机工程 等领域耜结合的一f 1 薪兴学藉，具系糟掌性、艺术性年时代性鸽盘著 特征。造型设计按照工程技术和美学艺术的规律，将工韭产品的功能、 物质技术条件和艺术性通过产品的夥态，结构、色彩、质感、装饰等 要素，贯穿在产品的总体设计、技术设计以及生产制造的垒过程中。 随着物质文化生活水平的提高，人们对产品造型的要求也越来越高， 使造型设计成为所有工业产品生产中必须考虑的重要问题，对研制新 产品，提高产品质量和竞争力，开拓产品市场具有非常现实和极其深 远的意义。 而动车组头部的外形，不但对减小空气阻力、改善列车的空气动 力性能起至关重要的作用，对列车两言，动车组的头部，就好比人的 面部对人的全身一样，对整列车的外观形象起决定性的作用。故关部 外形设计是整列车造型设计的重中之重。 2 1 ，动车组头部的理想外形和实际外形 为了提高动车组的速度，减少空气阻力，唐山工厂委托中南大学 北京交通大学工程硕士学位论文 进行了理论分析，提供外部型线，以下为中南大学提供的型线说明。 根据空气动力学理论，具有最小气动阻力的物体的理想外形是纺 锤状( 水滴状) 的流线体。在雷诺数r e = 1 0 7 时，长细比( 最大直径 与体长之比) 等于0 3 、且弯度为零的流线体，其阻力系数只有0 0 5 。 当然这是在自由大气中的运动曲物体曲理想形状( 饲如飞艇) 。当接近 地面时，物体周围流场变得不再对称，阻力系数随相对离地间隙d 的 减小雨显著增大，如图2 所示。故紧贴地面运动的物体( 如小汽车) ， 其理想的外形似乎应为如图二所示的半纺锤状的滴线体。然而对在轨 道上运行的列车雨言，为满足大量载客要求，长细比( 整列车的长度 与列车高度之比) 必须为5 0 以上，印最大直径与体长之 l 二小于o 0 2 ， 与半纺锤状流线体形状的长细比相距甚远故就整列列车而言，不可 能设计麓半纺锈装流线俸形装。再对于列车头部昊煮最夸气瓒星力 鐾磬彤：壶该接近半纺鹰捩浣缦体迓风端的影靛二 i 岫 l , l l h - t o t i d l 日， 扭一d 图2 流线型物体阻力系数c x 与离地间隙h 的关系 以上提出的是为寻求得剜最，j 、气动阻力的列车头部的理想基本 6 北京交通太学工程碰i + 学位论文 形体，而动军组哭部实际外形还必须考虑满足使用功能、结构工艺、 人机工程学、安全法规及艺术效果等方面的要求。故动车组头部基本 形体设计可按两条路线进行。一条路线是从满足使用功能、结构工艺、 人机工程学、 圈3 紫贴地面运动的物俸的理想外形 安全法规及艺术效果等方面的要求为出发点构思出基本外形，再 以减小气动阻力改善气动性麓为目的对基本形体进行修改；另一条警 线是先按驳具有出色气动毪能曲“理想基本形体”，蒋对其进行几俘修 整，以满足使用功能、结构工艺、人机工程学、安全法规及艺术效果 等方面的要求。无论采用哪条路线，最终得到曲动车组头部实际外形 比只考虑气动阻力的理想基本形体要复杂得多。如果说纺锤状( 水滴 状) 的流线体表面还可以用数学方程生成的话，动车组头部的实际外 形无论如何是无法用数学方程生成曲。也就是说，备方面性能都良好 的动车组头部的实际外彤是由许多曲面片拼接而成的非常复杂的表 面。 国内外对列车外形作过许多空气动力学实验研究，研究表明，列 车高速行驶峙受到的空气阻力，分为形状阻力和摩擦阻力两部分。形 状阻力主要与列车头尾的形状有关，而摩擦阻力主要与整列列车的表 北京变通大学工程硕士学位论文 面光滑程度有关。为提高列车速度，降低能耗，应采取种种措施将形 状阻力，和摩捧阻力尽可能地减枣减小形状阻力的方法是将列车头尾 做成接近于半纺锤状流线体迎风端的形状。经研究，只要将列车头尾 做成接近于半纺锤状流线体迎风端的形状，且列车头尾部变截面段的 - k 度大t - 4 米，再在头尾车车身上采取些减小摩擦阻力的措旄，可 以将头车的空气阻力系数降低到0 3 左右，将尾车的阻力系数降低到 0 3 5 左右，即使头尾车的空气阻力 | 二传统列车降低百分之六、七十。 2 2 动率外彤的计算机辅助设计方法 2 2 1 动车组头部外形设计的流程 动车组头部外形设计是根据动车组整车设计任务书进行。设计过 程分为方案设计( 概念设计) 和技术设计( 详细设计) 两大阶段。方 案疑甘阶段繁广泛牧集脊糕：臻究孝借鉴冒内斟嘬薪鸶譬类产品i 进 行人一车环境。造型与功能结构工艺、材斡等多方耍曲分析比较夏 造型艺术性方面酶分析比较，在此基础土，接照上文提出的设计原则， 针对设计任务书的要求进行造型构恩。在构思开始阶段，多以简单的、 非正式的、多方向的投影草图或透视草图来表达造型的整体效果。通 常需要构思出多个方囊以供比较。基本定稿后，则采用计算机三维造 型技术完成各个造型方案。因为动车组头部外形非常复杂，需要设计 人员具有丰富的曲面造型的经验，并采用具有三维曲面造型系统的 c a d 软件才能完成。曲面造型完成后，可对其空气动力性能进行分析， 并可采用计算机绘图渲染软件将模型的材质、色彩、光照效果表现出 来，生成造型效果图，用于方案审查和技术设计审查，在没有正式进 行施工设计时交与用户进行空方位的审查。 北京交通大学工程硕士学位论文 方案审查通过后，即可开始技术设计。技术设计第一步是产品建 模，印对方案设计得到的动车组头部外形数字模型加以细化，将头部 所有细部结构的准确形状( 如门、窗、头灯、标志灯等) 加入到数字 模型中，生成产品模型。产品模型是定义动车组头部表面几何形状和 尺寸的最终结果，是动车组头部各主要部件( 司机室、底架、排障器 等) 结构设计、车身覆盖传( 表面蒙皮) 设计及模具、胎具设计的原 整个设计过程如图4 所示。 2 22 m d t 6 ，o 功能弁绍 在方案设计中的计算机造型及技术设计中的产品建模阶段，必须 采用具有n u r b s ( 非均匀有理b 样条) 曲面造型功能的三维造型系 9 驰京交通大学工程硕士学位论文 统的机械设计软件。 正如 。2 孛对软件使用分辑提到的愿因；笔者选用了具有 n u r b s 曲面造型功能的三维遣型系统m d t 6 0 作为主要的设计软件。 曲面造型又称为曲面建模或表面建模。n u r b s 曲面造型是采用 教学上约n u r b s 盐面 菲篱勾有理b 样条越面来创建复杂零件的 表面模型。n u r b s 是一种表示曲线曲面的先进的数学方法，它使得 二次荫线、曲面和自由曲线、曲面在数学上有了统一的算法和表达方 式，便于工程数据库的应用。它还具有通过改变控制点和权因子可灵 活地改变浩线、曲面的形状的优点，便于用来进行具有复杂自由曲面 形状的物体的表面建横。具有n u r b s 曲面造型功能的机械设计软件 匿5m d t 的曲丽造型系统 提供了一系列的生成各种不同形状的曲面的命令，以m d t 为倒，其曲 面造型系统如图5 所示。 如前所述，动车组头部外形是由许多曲面片拼接而成的非常复杂 的表面，在生成曲面之前，必须先构建一个可准确地生成组成动车组 头部外形的全部曲面片的三维线框模型。即采用各种生成原生曲线的 命令，在三维坐标系中准确地绘制出构成动车组头部外形的各曲面片 的边界线以及生成各曲面片的基本型线，这一步骤称为三维线框建模。 1 0 北京交通人学工程硕士学位论文 对于由许多曲面片拼接而成的复杂表面的建模而言，三维线框建模是 基础，是准确地生成全部曲面片的关键所在，同时也是曲面造型中最 为困难的一步。它需要设计者具有丰富的空间几何图形的想象能力和 绘制三维图形的丰富经验。所以工厂借动中南大学酶技术力量和知识 来完成三维线框的设计与分析。 三维线框模型一里建立 ；l 后，就可以选用合适的生成曲面的命令， 针对各曲面片的边界线以及生成曲面的基本型线，将各曲面片一一生 成出柬。其有n u r b s 曲面遣翌功能妁软件，均提供了种类繁多的创 建各种类型些匿的夸令，知何根据各曲蓄片类型的不弱；正确地选用 命令是非常重要的。当然，仅仅靠直接创建曲面的命令还不能满足需 要，在实际造型过程中，还需采用调整、封断、剪切莛晨等编辑曲 面的命令；量后，还可以采用曲面堡台命令：将全部曲面片台并戍一 个完整的复杂衰丽然后再采用渲絷工：霓f 将毒面赋材蜃。赋光峻) ， 对曲面模型进行仿真渲染，印在计算机显示器上祷设计者构思的外形 形象地表示出来，以便设计者“真实地”再现整个外形。但由于曲面 本身结构复杂，由许多益面片拼接而成的动车组头部外形就更加复杂， 故其造型不可能一次完成，根据外形复杂程度和设计者的经验，一般 需要反复多次的修改，才能一步一步地逼近设计者构思的形状。 还可以根据计算机生成的表面横型，按等比例或缩小i 比例制遣出 实物模型束，进一步对设计效果进行检查和评价。笔者就在三茂动车 组正式施工前为南昌铁路局曲中国铁路展览馆设计制造了一个1 ：2 模 型，摆放于南昌火车站前，供游客参观。从而也在正式产品前对设计 的外形进行了一次验证( 并不是掷有在亚式产品施工前进行验证的机 会的设计都有这样的机会) 。使设计的正式产品有了一个改进的余地和 时间。 北京变通大学工程硕士学位论文 第三章三茂动车缀头部外形设计 3 1 ，动车组头都外形设计应遵循以f 的设计原则： 3 1 1 首先要满足性能及使用功能上的要求，并充分体现其科学性和 先进性。 对于动车组头部雨言，有以下的性能及使用功能的要求： 减小空气阻力、改善列车的空气动力性能； 保证司机室有足够的设备空间及工作空间，满足司机对列车的操纵 及了望的要求，切实保障行车安全； 毒 头部前方必须设置车钩，以备列车无动力回送或求援之需要； e 头部下方外形必须具有双重功能，帮传统列车排障器排障的功能以 及引导列车前力气流流向两侧、阻止气流冲向列车腻茴箭导流的功 能。 3 1 2 要满足结构、材料、加工工艺上的要求；充分反映力学、材料 学的新成就，体现最薪的材稃、先进的结构、先进的加工工艺的 特征。 3 1 ，3 要充分反映社会、科学、技术帮物质文化生话箭面貌，表现现 代支化修养和心理素质，体现当代的、氏族的审美要求，具有强 烈的时尚性。 3 1 4 。在满足上述要隶的情况下，力求简单、规整，便于加工，节约 生产成本，提高经济效益。 3 2 动车组关部外形尺寸设计 北京交通大学工程硕士学位论文 外形整体尺寸中头部的长、宽、高以及与车身连接处的横截面尺 寸由设计任务书确定，同时将断面图( 见图6 ) 提供给中南大学。具体 尺寸为： 车头最前端至司机室后墙前端面：4 0 6 0m m 司机室最大宽度：3 0 8 0m m 头部外形最高点距孰面的离度：3 9 0 0m m 3 2 1 头部驳截面形铰及尺寸 为使列车头部具有最小气动阻力，头部外形应该接近半纺锤状流线体 迎风端的形状。然而头部下方外形还必须满足持障的功能以及 导列车前方气流流向两侧、阻止气流冲向列车厩酃的导流的功能。故 可将纵截面形状设计成如图7 所示的形状。 北京交通大学工程硕士学位论文 3 2 2 头部最大水半羲面形状及尺寸 纵截面形状及尺寸初步确定后，即可设计通过头部最前端的水平 北京变通大学二【+ 程硕士学位论文 截面的形状及尺寸。为使外形接近半纺锤状流线体迎风端的形状，水 平截面应前窄后宽，可初步设计成图8 所示的彤状。 3 - 2 3 头部各尺寸的一些分析 车头各尺寸的确定首先要考虑整车的断面，同时考虑了列车的外 形侥 艺，有资料显示，侥他的头型的几何参数取值范围如下表： 一 |编号 a一r 2r 3 r 4 嚣 1 1 l a3 0 0 2 0 0 6 0 0 5 5 04 5 0 0 4 。 83 0 。1 2 0 0 6 0 0 0 5 04 5 0 0 i c3 5 0t 2 0 06 5 0石0 u4 5 0 0 d 。 d 3 5 。1 2 0 06 5 0 1 0 5 04 5 0 04 。 土表各参数凿羁应蓦知蔷9 所示 根据资辩得到的结果是d 、r l 、r 2 、r 3 、r a , 、的取值范围为a = 3 0 。4 0 。：r l = 1 2 0 0 - - 1 5 0 0 r a m ；r 2 = 6 5 0 - - 8 0 0 m m ：r 3 = 4 5 0 - - 5 5 0 m m ； 0 = 4 。6 。经与三茂车数据比较，除蚤值是因为摆式车的要求外，其 余皆在以上各值范围内，可满足优化数值的要求。 北京交通大学工程硕士学位论文 3 2 4 头部外形三维线框建模 头部与车身连接韪横断面尺寸、纵截面影状及尺寸及最大水平截 嚣酶形状及尺寸确定后，辩可在三维坐标系中正确地绘剖出这三个截 面瘩，结果如匿1 0 所示。西为图形左右对称只霭绘制左半部或右半 部。下一步就是绘制出构成动车组头部外形的各i 搬蔺片的边界线以及 1 6 北京交通大学工程硕士学位论文 生成备曲面片的基本型线，这些线条应在构思外形方案时绘制成的投 影图或透视图中初步确定下来。圈1 1 表示的就是绘制好的三维线框模 型。 此线框图经与工厂设计、工艺人员及制造单位协商，特别是工艺 部门对工厂工艺手段进行了认真分析，最终确定。由线框图已可以看 出，前窗是为降低制造成本( 外购件) 和简化安装工艺，工厂决定选 用纯平结构，且与前面光顺结合，所以有一个纯平区域与两侧光滑过 渡。饲门选用国内普遍使用鐾塞拉门结构，为与享体断蚕一致，塞拉 门也做成薮形，具有8 。密穰角度，所以镉结构上也同样设计出一个与 相一致的门框。侧窗选用了铝合佥外框结构。同时考虑后槐镜预留位 臀( 当时工厂束确定后镜具体形武及尺寸) 。头灯及近照标志灯遮铁路 成熟产品，在钢结构上开出相应的开口。其变缦尺寸提供绔工艺和制 造部门进行工艺性分析曼生产前技末准备工作 3 _ 2 5 头部外形表面模型 三维线框模型生成后，选用合适的生成曲面的命令，梅各曲面片 1 7 北京交通大学工程硕士学位论文 一一生成出来，如图1 2 所示。对表面模型进行仿真渲染，在计算机显 示屏上将外形形象地表零出来，再在模型周匿若干个位置土设置好光 线照射在模型上。通过曲面对光线的反射，对曲面的质量进行仔细地 检查，对不满意的地方进行修改。一般需要反复多旋的修改，直至完 全满意为止。最后，用镜像帝令生成出另一半头形，再用曲面缝台命 令将所有曲面片缝合成完整的表面，如图1 3 所示。 3 2 6 。曲面的优化 在设计中不可能一次完成全都曲面的设计，在设计中可能经常进行 改动和重新生成更平滑的曲面，因为在m d t 酌曲荷设计中有些面是由 四条曲线组成的曲面( 理向蕴样妇面) ，是一个孔斯曲面，如图1 4 所 示。 线性孔斯曲蘧，也称之为简单曲面，是通过四条边界曲线构成的曲 面。若给定四条边界曲线p u o ，p u l p o w , p l w ，且u ，w 【0 ，1 1 。 在u 向避行线性插值，得到直纹面为： p l ( u ，w ) = ( 1 - u ) p o w + up l w 在w 向进行线性插值，可得到直纹面为： p 2 ( u ，w ) = ( 1 - w ) p u o + u p u l 1 8 北京交通大学工程硕七学位论文 若把这两张直纹面叠加即可得到一张新曲面p 3 ( u 。w ，使其边界正 好就是所需要的线性插值边界，为此可得到在w 方向上进行线性插值 构造p 3 ( u ，w ) 的公式： p 3 ( u w ) = ( 1 一碥，) f ( 1 一u ) p o o + u p l 0 i + w “ u ) p o 卡p 】 由此，则用四条边界曲线构造的线性孔斯曲面则为以上三个曲面的 线性组合： p ( u ，帅。p 1 ( u ，w ) + p 2 ( u ，w ) 一p 3 ( u ，娜 对于该曲面，当u = o u = l ，w = 0 ：w = - i 时对应的四条边界曲线即为 已知p u o ；p u l ，p o w , p l w 四条边界曲线；上式所用的调和函数是u ， ( 1 一u ) ，m ( 1 帅，即为用均匀线性插值法构造曲面， 以上是理论上曲面构成方法，在设计中不会出现：只作为软件的基 础，也只作为了怨即可。因为设计耐经常要进行原生凿面的裁剪，求 得一条曲线，从面生成有用的曲面。 头部表面模型创建完成后，诗算机自动生成模型数据库，即完成 外形数字模型的创建。下一步，司将它传送到3 d s m a x 5 0 中，其输出 困相对筒单，虼处不赘述。可剖作出外形设计效果图，用于设计审查 ( 见图1 5 、1 6 ) 。图1 5 为m d t 中渲染的效果图，是外皮的外表面 而图1 6 则是在3 d s m a x 5 0 中渲染的效果示意图，主要是审查对使用， 此图曾用于铁道部科教司组织的评审会及与用户的交流之用。 至此，动车组头部外形方案设计z - 作基本完成，可进入外形施工 图设计阶段。 1 9 北京交通大学工程硕上学位论文 北京交通大学工程硕士学位论文 3 3 动车组外饰色彩设计 外饰色彩方案设计属工业设计范畴，不是可有可无的工作，尤其 是近来国内铁路对此已提到很高的地位，所以工厂在这方面也一直在 努力，尤其是在2 0 0 2 年，特别派笔者赴清华美院进修工业设计系培训， 学习，通过一段时阍的学习，笔者深切感到，个名工程技术人员应在 此方面多学习，了解，才能成为一名合格的设计师。 为将三茂事外皮油漆设计成国内最具时代感的外皮，参考了太量 的国外动车组的j 由漆力豢。国外动车组外虚油漆统计见下表。 车型色彩设计f i 德国i c e 高速列车车体自色，红色装饰带穿过侧墙中部，在司机室侧面朝前j i f 倾，从鼻锥上部绕过，嗣绕整个车体。红色装饰带与自l 色主体色之间蒯绎红色过渡，字符“i c e 一。； i 法匿t g v ：a率体色灰，车体铡墙选用深蓝装饰带，字符。k ；v ”自色。j 法国t g v 0 0 1率滓主色调为橙红色，车体装怖带州臼色，罕符 i “1 g v 0 0 l ” i 法国t g v p e s车体主色调为米黄色，白色装饰带 l 法国t g v 第三代高车体选用两色相，上半部为自色，下半部为深蓝色装饰带，i 速双层列苹字符。t g v ” 法国a l s t o n 出国以白色为基，冷色调装饰，车体下部及中部接近黑褐色，l i 韩国高速列车车本顶郭湖蓝色 雾霎欧潮之星高速 以白色为主，前脸米黄，项部黑色，以褐黄“e u m s t a r ” l 字符加深蓝简洁圈案构成装饰i 北京交通太学工程顿士学位论文 li 国新一代高速列 车体乳白色，装饰以绿色线条，字符“t g v n g ” i 瑞典) ( 2 0 0 0 摆式高白色车体加蓝色装饰带 i 速列车 两班牙a v e 动车组白色车体，车体下部边缘及顶部蓝色装饰，字符“a v e ”， 前脸“v ”形符号 日本新干线高速列 各系均以白色主体，l ；i _ 监色或墨绿色在侧墙中部布置线条 车 英国l n t e re r r y以内色为基础，装饰有红、黄黑色图案，字“i n t e rc ：t y ” 2 5 5 快车 意失利e t r s 0 0 高白色为主，车项与车体下部黑蓝色 速月车 从以上列表可晃，在色彩曲配剖上，车诲多采用两套色配制，结 构曲主色调为浅色，装配线条为列比较为强烈的另一种颜色，形成郧 简洁明快，又对比强烈的视觉效果；在色彩图褰的设计上，不是选用 大面积的涂色对比，弼是采用在底色上加流畅的装饰线条的做法，以 形成动感：对产暴进行标识时，一般都有配有简单明了的文字图案， 为突出文字图案的效果，再选用与底色和装饰线条色彩相异的色相形 成局部分色，达到突出标识，活跃产品色彩的效果。 同时也考察了国内所有动车组的外形与油漆，与国外产品的差距 显而易见，所以不能以国内产品为样本来进行设计。 最初设计出8 个方案供用户选择( 平面设计) ，在用户基本认定的 基础上进行外皮美工三维设计。设计可用原三维模型导出一个i g e s 或3 d s 文件，在三维渲染软件中进行各部材质的赋予，舔加入前窗、 侧窗、刷雨器、侧门、头灯、标志灯、车厢部分等所有动车组外部设 北京交通大学工程碗士学位论文 备，加入主、辅灯光，背景等进行渲粱。最终方案见图仃。 此方案的设计主要考虑的问题是三茂动车组为国内首列摆式动车 组，与国外v t 6 1 1 、6 1 2 的外部造型相像，高度较国内动车组低，断 面为鼓形，上部较窄，下部设备仓比土部宽等特点，所以上部选择较 重的大红色可使整体平衡，中问为大面积白色看上去会更加整沽，中 下设一装饰带可使整车更灵动，具有较强的动感。下部选用中灰色即 可稳定整车天使用户在使用中不至于每天忙于擦车之中( 中灰色本身 比较耐污染) 。装饰圈案以工厂厂标为主要图案，文字为标准动辜组外 部文字( 符合t b 厂r 1 1 要求) ，同时，为体现此车的特点，将汉语拼音 宇共加大。完成最终妁美王方案。 北京交通大学工程硕士学位论文 第四童三茂动车组头部结构设计 搴，1 三茂动车组头部型线设计 外形方案设计完成后，即可绘制出外形型线圆及工程图。型线是 用纵向、横向、水平三个方向上的三组平面族与曲面相交得到的三组 平面曲线。将纵向、横向、水平的型线分别绘制在主祝，左视、俯视 图上得到的图形称为型线图。围1 8 至圃2 0 分别表示的是三个方向型 线的平面投影图和透视图。 北京交通太学t 程硕士学位论文 l j l i 兰兰兰! 兰兰兰竺| 型袭固是工程上常焉鲍表示复杂赌面的方法，出这些线型霉帮可 进行下一步的施工图设计，在鲒拘设 十中也以这些线型为基础形成纵、 平横各种板粱。具体的结约设计下一节将详细教述。 关型工程嚣是按唐出视车车辆厂厂肉匿桓标准和嚣家标准绘铡曲 动车鳃头部外形圈，其作制相当予装配圈。以上三维型线圈可袁旄工 毙咏烹通太擘i 程碗圭学电论支 图设计中随时调用，如二维鹭出国、标注、曼奄稻算、艟横其设计等， 如定位尺寸不奋适，还可在三鲤模型 随时剖出誊蕊姆线矍一 4 ，2 动车组头部有限元分析 为了验证司机室的结构设计，在进行整车铜结构有限元分析时， 北京变通大学工程硕士学位论文 司机室也做为一个主要部位也同时进行计算分析。有限元计算由工厂 自行完成，下面摘录其中司机室部分的内容。 司机室组成：采用钢带蒙度结构，外蒙板采用2 m m 耐候钢板。侧 墙与客室侧板对接，焊于侧柱上。项板与客室顶板搭接，搭接宽度为 1 0 - - 1 5 m m 。下裙板焊接于边粱下口，包板焊于边粱藏口中，高度l o m m 。 按照摆式动车组设计任务书要求，计算载荷应依照锾遒车辆强度 设计及试验鉴定规范f b 斤1 3 3 5 1 9 驰) ，中规定取值 本次计算中考虑了以下几种工况： ( 1 ) 工况一垂直静载荷 ( 2 ) 工况二垂直总载荷 ( 3 ) 工况三垂直总载荷+ 拉伸力 ( 4 ) 工况嚷垂直总裁蘅压缩力 5 ) 工况五扭转载暂 单位：m p a 础j 第= = 计算： 况第二三计算工况第四计算f 况 都主、 1 9 3 9 1 11 3 4 牵j f 禁牵 l 粱下盖板硼疆过 牵弓i 粱隔板处帝粱f 盏扳圆弧过渡处 渡处 1 0 7 9 2 31 6 哇 枕粱扰絮横粱和拢内波纹地板连 枕桨下盏轭开孔娃扰巢f 盏扳开礼娃 接齄 1 7 8 2 0 32 0 0 枕内横粱 车体中部横鬃下翼板车体中部横粱上翼扳车体中部横梁上翼板 i i 9 9 t 5 81 5 8 底槊边粱边粱冀板和侧墙中韶立梧 连棱处 车体中部袒横辇对揍箍 替强援髯| 近的下翼教 1 6 92 7 7 2 6 6 波纹地板 纵向粱断开处 枕内波纹地板和枕粱对接处纵向粱断开她 北京交通太学工程硕_ 1 学位论文 1 5 21 6 71 5 9 l侧培 枕粱附近的宙角 枕粱附近的富角 二位端门角 i 旦 儿01 5 9 l亟n 建 司机塞fj 口立柱掇部 司机宣门口立柱 珏部 刊帆垂倒窗窗角 根据铁道部车辆强度设计及实验鉴定规范( t b t 1 3 3 5 1 9 9 6 ) ) ) 中 垂向相当刚度和扭转副度评定方法表明该车的硎度完全满足夏求，且 有一定的储备。 从应力结果可以看出，该车强度完全满足铁道车辆强度设计及 试验鉴定规范( t b t 1 3 3 5 ，1 9 9 6 ) ) ) 的要求，而且从应力云图中还可以看 到应力分布均匀，表明该车各部分材料潜力得到了充分利用，基本实 现了等强度设计，这说明该车的设计是成功的。 扶变形云图( 囤2 1 ) c p 可见，司机室部位只有侧窗角部较大，但没 有超出材料的允许僮，说明设计是町行的。 4 3 动车组头部外形结构设计原则 如前外形方案设计中提及的一样，接近予半纺锤状流线体迎风端 北京交通大学工程硬士学位论文 形状的高速列车或动车组的司机室的外形是由许多曲面片拼接而成的 非常复杂的表面，这使得其机构设计与传统列车有很大的不同。传统 列车司机室表面多为平面，司机室钢结构多为箱形粱、槽形粱及t 形 粱焊接成的形状规矩的框架再蒙上平钢板而成。而对于由曲面片拼接 而成的表面，如果采用这类粱做骨絮的话，为保证粱与蒙皮处处紧贴， 要求梁与蒙度曲接触面( 即粱的翼板) 为曲面，而要希望桨的受力情 况最佳。又要求梁的腹板处处与蒙皮垂直，这使得衬在曲面蒙皮底下 的粱成为三维扭醢形状。这种扭曲形状曲票，工厂理有设备无法加工 成形。 根据以上分析，确定结构设计的基本原则如下：将构成司机室骨 架的所右粱全部采用厚度较小的平扳粱。平板粱基本上沿鳞囱、横向 和水乎= 方向布置：因为厚度小? 粱与曲面蒙皮的接触面可视为一条平 面曲熊，栗用熊切割技米印可加工成影将所有平板粱绒横交错地焊 接成骨架后，基本上可使粱与蒙度处楚垂直。但由于单裉平扳粱曲受 力不如t 形、槽形、箱形粱，故将粱的布置密度加大，以保证整体上 满足受力要求。 结构设计的关键是根据受力分析来决定采用何种结构形式，当采 用扳粱加蒙皮的结构形武时，关键是决定所有粱的布置位置和每根梁 的厚度，其构思是与三维建模同步进行，它要求设计者有较丰富的结构 设计经验，边进行三缝模型设计边考虑相应结构。 结构设计采用同一个三维曲面造型系统，结构设计可直接在三维 外彤横上完成。模型中的外形表面就是结构设计中的蒙皮内表面，也就 是说，前述的三维模型是睬去蒙皮厚度的外形( 结构设诗时为2 m m ) ； 因为构成司机室骨架的所有的粱全部为厚度较小( 4 嵋m m ) 的平扳粱， 故梁的腹板上下面与蒙皮的交线可以用三维曲面造型系统中平面与曲 北豪变通人学工程硕，i 学位论文 面求交的命令得到之后，按司机室墙的厚度确定粱的宽度，每根梁 的形状及尺寸均可确定。所有粱的建模完成后，窜构成了完整的结构 总装三维图因为采用三维建模的方法，设计者可在计算机显示屏上 真实地看见结构创建的全过程以及结构的全体与所有细节，可大大提 高工效，且可将设计差错减夕至最小。 4 4 动车组司机室结构设计 三茂动车组司机室外形的特点是：基本形体为半纺锤状流线体迎 战端，但为了改善工艺性能，将前窗和侧窗设计成平面；司机室侧门 处横断面形状与车身一致( 为平面与柱甄拼接成的二维曲面) ，两侧车 门土下两部分筠为平面，并且门的上端向内倾斜8 。，中闻部分两平面 榴交处用圈弧面( r 1 0 0 ) 过渡：侧门为风动电控塞拉门，具体尺寸由 范考厂宗提供( 里翟2 2 ) ，除门窗以井，头篓井表面曲美未毒分均为三 肇曲预： 北京交通大学工程硕士学位论文 端面及两侧墙面( 简称司机室侧墙) - 天花板以上的顶盖( 简称司机室 顶盖) ；两侧侧门框絮( 筒稚倒门框架) ：另外还有下裙扳；排障器：导 流罩等大部件。 4 4 1 司机室前端面及两饲培 这部分外形最复杂，既有平面又有曲面，且不同位置的曲面曲率 相差很大；司机室前面( 亚面) 及两侧面曲搴较小，但正面与侧面的 交界处曲率较大。因此，再细分成以下几部分： 4 4 1 1 司