湯兆平，楊建國，吳松棋，孫劍萍，葛洪林

（華東交通大學(xué)，南昌 330013）

0 引言

限制地面高速交通工具發(fā)展最根本的因素是稠密的大氣。理論上，氣動阻力與物體速度的二次方成正比，氣動噪音隨速度七次或八次方而急增，這是任何形式的交通工具都無法避免的客觀規(guī)律[1]。所以目前在地面稠密大氣層中運行的交通工具，最高經(jīng)濟速度不超過400km/h[1,2]。真空管道運輸(Evacuated Tube Transportation，簡稱ETT)正是基于此原理而提出的一種全新的交通運輸概念模式，它把列車置于密閉管道，將管道抽成低氣壓（由于低于0.1個大氣壓時人的血液開始氣化，在現(xiàn)有的技術(shù)條件下管道的氣壓定位在0.1個大氣壓以上），即在地面創(chuàng)造萬米高空的運行環(huán)境，也不受環(huán)境氣候條件變化的影響。理論上，列車在管道中能以500km/h以上的速度運行。ETT因具有極高速度、極低能耗、極低噪聲、極低污染和較高安全性等優(yōu)點，普遍認為將是下一代理想的陸地交通工具。

1 真空管道運輸系統(tǒng)參數(shù)化建模思路

作為一種極具運輸潛力的運輸工具，真空管道運輸從提出到研究的時間很短，目前國內(nèi)外均無成熟的設(shè)計系統(tǒng)可以參照。但高速列車外形與空氣動力學(xué)性能有著密切關(guān)系，良好的頭部外形曲面設(shè)計能有效降低運行時的空氣阻力及會車時壓力波、氣動噪音、隧道阻力等問題[3]。即要在保證車體結(jié)構(gòu)的安全性下，滿足外形流線美觀、符合氣動性能的要求。本文以動車組結(jié)構(gòu)參數(shù)為參考，基于流線型曲面造型方法，采用參數(shù)化建模的理論，能大大改善物理模型的修改手段，提高分析的柔性，最大限度地呈現(xiàn)真空管道運輸系統(tǒng)中包括頭車、中間車和尾車、軌道以及管道等組成部分的結(jié)構(gòu)外形。通過改變模型中各種參數(shù)，實現(xiàn)不同外形曲面和尺寸模型的生成，為下一步的空氣動力學(xué)分析和模型的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

在建立系統(tǒng)參數(shù)化物理模型時須引入一些近似假設(shè)。首先是縮短列車長度。以在上海運行的德國Transrap id 08磁懸浮列車為參考，模型由2個頭車和1個中間車組成。頭車長26.99 m，中間車長24.77m，寬度為3.70m，高度為4.06m，列車總重為45t，每一部分各為15t。其次為了簡化計算，對列車外形做了一定的幾何簡化，如忽略轉(zhuǎn)向架、受電弓、車體連接部位等細部結(jié)構(gòu)，這對課題所注重研究的空氣動力學(xué)及振動問題是可以理解的。最后，忽略環(huán)境風(fēng)和線路的影響，假設(shè)列車在靜止的稀薄空氣管道中沿平直線路勻速、平穩(wěn)運行。

ETT主要由列車、軌道和管道三部分組成。參數(shù)化設(shè)計思路主要把機車曲面的外形輪廓分成多個曲面片，構(gòu)建出各曲面片輪廓曲線，并將這些車體曲面的外形輪廓線用方程、關(guān)系式或數(shù)據(jù)準(zhǔn)確表達出來。然后分別曲面造型，通過調(diào)整曲率、添加適當(dāng)控制線、光滑檢測及修改等工具調(diào)整曲面。最后再把這些曲面片有序地拼接成整體并加厚，完成列車外形參數(shù)化設(shè)計[4]。使用相同方法，對管道進行參數(shù)化設(shè)計。最后在完成列車、管道及軌道的參數(shù)化建?；A(chǔ)上，應(yīng)用虛擬裝配技術(shù)進行裝配，完成真空管道運輸系統(tǒng)的整體參數(shù)化設(shè)計。

2 列車的參數(shù)化建模

車頭外形參數(shù)化設(shè)計的難點在于找到控制列車流線型外形的曲線[5]。為此我們在Pro/E曲面造型中，分別繪制列車橫截面、縱截面、水平面的輪廓投影曲線，給這些曲線進行方程定義或是參數(shù)設(shè)定，再根據(jù)機車外形表面的曲率、走向，將列車外形劃分成多個曲面片，然后利用Pro/E中強大的曲面造型工具分別創(chuàng)建各個曲面，再按照曲面片內(nèi)部曲率變化的二階連續(xù)要求把這些曲面片按照一定的順序和規(guī)律拼接而成。

2.1 控制線設(shè)計

現(xiàn)有的高速列車流線化外形設(shè)計是根據(jù)空氣動力學(xué)和高速列車設(shè)計相關(guān)理論，并且通過空氣動力學(xué)數(shù)值模擬和比選，經(jīng)過風(fēng)洞模擬試驗優(yōu)化設(shè)計而成[6]，所以列車縱截面輪廓線為列車整個流線型外形的主要控制線依據(jù)。為了實現(xiàn)對其參數(shù)化控制，我們把其前窗以上到車頂一段縱截面輪廓線定義為橢圓曲線（圖1中黃色曲線），通過改變函數(shù)參數(shù)值，實現(xiàn)車頭縱截面流線形狀的變化，其設(shè)計步驟如下：

1）新建名稱為liechetou.prt，點擊“造型”，選取right面為草繪平面。

2）單擊工具欄上“工具”→“參數(shù)”，新建參數(shù)m值為2。單擊“基準(zhǔn)曲線”，選擇“從方程”→“完成”，選擇坐標(biāo)系類型為笛卡爾坐標(biāo)系。輸入如下方程：

圖1 縱截面輪廓線的參照橢圓

3）車頭鼻端設(shè)計成圓弧型有利于減少空氣阻力。為此在縱切面內(nèi)繪制一圓弧，使圓弧上端與圖1中橢圓曲線相切，切點距橢圓長軸高度為1350，圓弧下端與倒流面過度曲線相切，初設(shè)尺寸如圖2所示。

圖2 車頭縱截面輪廓線

4）切換草繪平面到top、right，繪制車頭水平截面、縱截面輪廓曲線。車頭側(cè)面輪廓線（圖3中的M）對車頭流線型外形以及由此產(chǎn)生的氣動阻力有直接影響。為簡化模型，我們采用構(gòu)造空間曲線的方法生成它。先畫出M在水平面、縱剖面的投影，然后利用投影的方式生成所需的M線，最終生成車頭三視圖（如圖3所示），車頭空間輪廓如圖4所示。

圖3 車頭輪廓曲線三視圖

圖3中：L1為鼻端距等截面車身的長度；L2為車身底面1/2寬度；L3為等截面車身最大寬度；Hl為車頂距車身底面高度；H2為鼻端距車身底面高度； H3為前端導(dǎo)流板過度圓弧中心距車身底面高度；H4為等截面車身最大寬度處距車頂面高度；R1為鼻端圓弧半徑； R2為鼻端與底部導(dǎo)流板過度圓弧半徑；R3為底部導(dǎo)流板與車身過渡圓弧半徑；R4為車身頂部圓弧半徑；R5為車身側(cè)面控制輪廓側(cè)面圓弧半徑；R6為車身側(cè)面控制輪廓鼻端圓弧半徑；R7為車頂側(cè)過度圓弧半徑；R8為裙部擋板底部側(cè)面圓弧半徑；R9為裙部擋板底部前端圓弧半徑；R10為車頭最大側(cè)面輪廓線在水平面上投影過渡圓半徑直徑；R11為車頭最大側(cè)面輪廓線在水平面上投影過渡圓半徑直徑；R12為車頭最大側(cè)面輪廓線在水平面上投影鼻端過度圓半徑；R13為車頭最大側(cè)面輪廓線在水平面上投影前端過度圓半徑；a為車體上傾角；b為車體下傾角。

圖4 車頭空間輪廓線

2.2 輪廓曲線參數(shù)設(shè)置

在零件模式下，打開參數(shù)對話框，分別選取上面繪制輪廓曲線的草繪平面，添加新參數(shù)，對每個參數(shù)進行命名、輸入值和必要的說明（如圖5所示）。

圖5 縱截面曲線的參數(shù)設(shè)定

2.3 輪廓曲線添加關(guān)系

把前期設(shè)置的參數(shù)名稱與圖形上的尺寸代碼建立關(guān)系，是實現(xiàn)機車參數(shù)化的重要步驟。其操作流程為：單擊主菜單“工具”→“關(guān)系”，打開關(guān)系對話框，在圖形上單擊選擇尺寸代號，將其添加到“關(guān)系”對話框中，再編輯關(guān)系式，將參數(shù)與圖形上的尺寸相關(guān)聯(lián)（如圖6所示）。

圖6 縱截面曲線添加關(guān)系

2.4 創(chuàng)建曲面、生成實體

圖7 車頭模型

2.5 繪制機車其他部件

繪制車底板、車輪安裝支架，參照車頭等截面車身尺寸繪制中間車廂（如圖8所示）并進行參數(shù)化設(shè)置。參照列車實際車輪尺寸繪制車輪實體（如圖9所示）。

圖8 中間車廂

圖9 車輪

3 管道的參數(shù)化建模

ETT的管道橫截面可以是圓形，也可以是拱形。不管是哪種形狀都很容易實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)置。通過對截面寬、高和壁厚的值進行參數(shù)定義，輸入數(shù)值就可以自動生成管道，以滿足系統(tǒng)對不同遮擋系數(shù)（列車橫截面與管道內(nèi)徑之比）的要求[6]。

ETT管道實驗?zāi)Ｐ停笮】扇菁{列車車體通過，壁厚要滿足一定的剛強度。本文管道實驗?zāi)Ｐ偷臄嗝嬖O(shè)計為拱形結(jié)構(gòu)，其初定尺寸及形狀如圖10和圖11所示。通過對草繪圖形截面尺寸和拉伸長度的參數(shù)化，實現(xiàn)管道的參數(shù)化建模。具體建模過程如下：

3.1 繪制管道

使用“草繪”工具，繪制如圖10所示截面。完成后拉伸長度L1初定為100000，再對曲面進行加厚，厚度值初定200，生成圖11。

3.2 設(shè)定參數(shù)

單擊工具欄上“工具”→“參數(shù)”，新建參數(shù)D、H、M、Z、S1、S2，設(shè)置初值D=4000、H=5000、M=200。

圖10 管道截面形狀和尺寸

圖11 管道模型

3.3 添加關(guān)系

不同管道遮擋系數(shù)Z對列車的速度以及產(chǎn)生的氣動噪音的影響也是不同的，參數(shù)化優(yōu)化管道尺寸，可在關(guān)系對話框中輸入以下關(guān)系式：

其中：S1為列車最大橫截面面積，S2為管道內(nèi)部橫截面面積。

4 軌道的建模

軌道雖然也是真空管道運輸系統(tǒng)的重要組成部分，但因其和普通鐵路軌道在外形尺寸上沒有差別，我們就以標(biāo)準(zhǔn)普通鐵軌尺寸繪制真空管道運輸系統(tǒng)的鐵軌實體模型。參照標(biāo)準(zhǔn)鐵軌尺寸，繪制鐵軌橫截面，并拉伸，拉伸值設(shè)定為100000（如圖12所示）。

圖12 鐵軌模型

5 真空管道系統(tǒng)模型的裝配

新建一組件，將車頭、中間車廂（為簡化模型只裝配一節(jié)）、車輪、車尾(跟車頭一樣）進行組裝（如圖13所示）。再新建系統(tǒng)總組件，步驟如下：首先通過偏移righ t平面在其兩側(cè)各生成一參照平面，兩偏移平面間距為列車軌道距離，取1435，引入軌道元件，使軌道縱向?qū)ΨQ面與先前偏移平面重合，軌道底面與top平面重合，軌道橫向?qū)ΨQ面與fron t平面重合，完成約束；接著再引入先前繪制的列車進行裝配，保證列車縱向?qū)ΨQ面與righ t重合，車輪與軌道上表面相切；最后引入管道元件，完成真空管道系統(tǒng)模型整體裝配（如圖14所示）。

圖13 列車模型

圖14 真空管道運輸系統(tǒng)裝配圖

6 結(jié)束語

由于在CFD軟件包中很難創(chuàng)造出三維流線型車頭這樣復(fù)雜的幾何模型[7]。本文在Pro/E中建立頭車、中間車和尾車、軌道以及管道系統(tǒng)的參數(shù)化模型，以此作為系統(tǒng)空氣動力學(xué)、氣動噪聲和結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)。如空氣動力學(xué)和氣動噪聲的仿真計算可模型用STEP格式傳到Fluen t中進行[8]。靜力分析、結(jié)構(gòu)動力分析及熱/結(jié)構(gòu)分析在內(nèi)的結(jié)構(gòu)分析，可將模型通過MECHANISM/Pro模塊輸入ADAMS/View中進行。這將為研究管道遮擋系數(shù)及列車車頭形狀與高寬比等系統(tǒng)參數(shù)在空氣流場、振動應(yīng)力場等多場耦合作用下,對列車速度、產(chǎn)生的氣動噪音以及運行安全和舒適性的影響提供依據(jù)。

[1] 沈志云.關(guān)于我國發(fā)展真空管道高速交通的思考[J].西南交通大學(xué)學(xué)報,2005,4(2):133-137.

[2] 沈志云.我國真空管道高速交通的發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)方案[J]專家論壇,2005.

[3] 周曉,張殿業(yè),張耀平.真空管道中阻塞比對列車空氣阻力影響的數(shù)值研究[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報,2008,28(11):535-538.

[4] 孫劍萍.雙面加工的弧齒圓柱齒輪精確參數(shù)化設(shè)計與裝配仿真[J].機床與液壓,2010.

[5] 王文濤.高速列車頭部外形參數(shù)化CAD系統(tǒng)研究[D]. 西安交通大學(xué),2008.

[6] 繆炳榮,肖守訥.列車流線型外形三維參數(shù)化CAD系統(tǒng)[J].交通運輸工程學(xué)報,2002,12.

[7] 王東屏.CFD數(shù)值仿真建模技術(shù)研究及其在高速動車組中的驗證[D].大連:大連交通大學(xué),2006.

[8] 唐振明.高速列車車頭外流場的三維數(shù)值模擬[D].大連理工大學(xué),2008.