專利名稱：一種高速列車頭型設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種列車頭型的設(shè)計(jì)方法，尤其涉及一種高速列車頭型的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
目前高速列車運(yùn)輸系統(tǒng)已經(jīng)成為世界許多國家重點(diǎn)發(fā)展的先進(jìn)運(yùn)載工具。日本新干線目前運(yùn)行速度超過320公里/小時，法國TGV列車的最高速度已突破574公里/小時， 我國武廣高鐵的運(yùn)行速度已超過350公里/小時，滬杭高鐵的運(yùn)行速度突破482公里/小時，成為世界之最。隨著列車運(yùn)營速度的不斷提高，空氣對列車的影響也越來越大。首先， 隨著列車速度的提高，空氣阻力呈平方率上升，當(dāng)列車時速超過350公里/小時，列車的空氣阻力已超過總阻力的90%。其次，列車速度的提高將引發(fā)交會壓力波、隧道微氣壓波等氣動現(xiàn)象，嚴(yán)重影響列車的安全和乘坐舒適性。由于氣動問題影響顯著，高速列車的設(shè)計(jì)已經(jīng)不同于以往低速列車，其中很重要的一個方面為列車頭型的變化，高速列車的頭型需兼顧美觀性、實(shí)用性及良好的氣動性能等因素。我國及世界其他國家的高速列車頭型均采用流線型設(shè)計(jì)，以保證其較好的氣動性能。目前主要的設(shè)計(jì)方式包括兩種，一種是基于CAD軟件，采用各類樣條曲線或曲面的組合對頭型進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中可采用通用的CAD軟件，如AutoCAD、UG、ProE、CATIA等，也可采用自行開發(fā)或二次開發(fā)的設(shè)計(jì)軟件(參見許平，田紅旗，姚曙光，流線型列車頭部外形設(shè)計(jì)方法，中國鐵道科學(xué)，2007)。另一種為依據(jù)仿生學(xué)原理，通過對已有生物、物體及景觀(如龍、 子彈、劍、河流)等進(jìn)行藝術(shù)抽象，將其特點(diǎn)融入列車頭型，進(jìn)而設(shè)計(jì)出流線型列車頭型，例如我國即將開通的京滬高鐵即依據(jù)此種方法設(shè)計(jì)出了十余種頭型，進(jìn)行分析比較及改進(jìn)后最終確定實(shí)際的外形。對于列車的頭型設(shè)計(jì)問題，無論采用上述何種方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過一次設(shè)計(jì)均很難使列車頭型保證良好的綜合性能，一般需在初始設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，借助于各種分析手段，對列車頭型進(jìn)行不斷的修正、分析和優(yōu)化，才能獲得相對較優(yōu)的設(shè)計(jì)。因此，對于外形的合理修正是列車頭型設(shè)計(jì)的必經(jīng)階段。列車外形的頭型修正主要應(yīng)考慮如下因素1)列車頭型的初始形狀往往是經(jīng)過藝術(shù)提煉或曲面造型獲得，其中可能蘊(yùn)含大量的人文因素和實(shí)用理念，因此外形修正應(yīng)盡可能保持原外形的造型特點(diǎn)；2)外形修正必須考慮實(shí)際的約束條件，如內(nèi)部設(shè)備的擺放直接對頭型的某些位置的幾何尺寸進(jìn)行約束，再如駕駛艙部位的曲面玻璃需保證其傾斜角度在一定范圍內(nèi)變化，否則將影響司機(jī)的視線等，因此，實(shí)際的修形中，頭型的某些部位將不允許改變；幻外形修正應(yīng)盡可能利用較少的控制點(diǎn)，這樣可以有效所見修形階段的工作量；4)外形修正后，相關(guān)的連接部分應(yīng)與原外形的光滑程度保持一致，一般至少需保證一階光滑(即導(dǎo)數(shù)連續(xù))。由于采用流線型的設(shè)計(jì)方式，高速列車整個頭型的各部分之間光滑過度，一般很難直接提取出關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)?，F(xiàn)有設(shè)計(jì)技術(shù)(如專利CN1634735A，
公開日2005年7月6日，專利CN101290636，
公開日2008年10月22日，等)很難同時滿足上述幾項(xiàng)要求。即使采用逆向工程等技術(shù)手段，將列車的頭型控制參數(shù)提取出來，也很難同時滿足上述幾項(xiàng)要求。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種高速列車頭型設(shè)計(jì)方法， 能夠進(jìn)行很好的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本發(fā)明的一種高速列車頭型設(shè)計(jì)方法包括如下步驟1)對已設(shè)計(jì)的列車頭型的外形做離散處理，形成與初始頭型的外形相擬合的表面網(wǎng)格；2)依據(jù)頭型的特點(diǎn)選擇關(guān)鍵控制點(diǎn)并確定該關(guān)鍵控制點(diǎn)的位置參數(shù)；3)確定所選擇的關(guān)鍵控制點(diǎn)的控制域，并確定該控制域的形狀及大小；4)給定所選擇的每個關(guān)鍵控制點(diǎn)的修正量，同時給定每個關(guān)鍵控制點(diǎn)控制鄰域內(nèi)的分布函數(shù)；5)依據(jù)每個關(guān)鍵控制點(diǎn)的修正量及其在控制鄰域內(nèi)的分布函數(shù)，計(jì)算獲得其控制鄰域內(nèi)的每個網(wǎng)格點(diǎn)的修正量；6)將修正量按網(wǎng)格點(diǎn)位置逐點(diǎn)與原外形的相關(guān)網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)疊加，從而獲得修正后的列車外形。優(yōu)選地，所述關(guān)鍵控制點(diǎn)選擇下整流罩、鼻錐、前蓋板、駕駛艙、側(cè)板、頂板的一個或一個以上的區(qū)域。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1)列車頭型的靈敏度分析。采用本發(fā)明提出的方法對列車頭型進(jìn)行參數(shù)化后，通過數(shù)值分析等手段可獲得設(shè)計(jì)參數(shù)對列車氣動阻力、升力、交會壓力波等關(guān)鍵性能指標(biāo)的影響幅度，為進(jìn)一步的頭型修正提供指導(dǎo)方向；2)列車頭部的氣動噪聲源辨識，采用本方法對頭型進(jìn)行參數(shù)化，通過提取不同的控制參數(shù)，經(jīng)氣動噪聲計(jì)算后，可直接獲得列車頭部主要?dú)鈩釉肼曉醇安煌课粚α熊嚉鈩釉肼暤挠绊懕容^；3)列車頭型的優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用本發(fā)明提出的參數(shù)化方法，可與數(shù)值分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法結(jié)合，開展列車頭型的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例待修正的列車頭初始頭型三維外形圖；圖2為初始化表面網(wǎng)格分布示意圖；圖3為圖1的列車頭下整流罩凹陷點(diǎn)減少5%后的比較圖；圖4為圖1的列車頭鼻錐長度增加5%后的比較圖；圖5為圖1列車頭鼻錐高度增加20%后的比較圖；圖6為圖1前蓋-駕駛艙連接點(diǎn)驗(yàn)車體軸向位置增加10%后的比較圖；圖7a和7b為綜合圖2 圖6經(jīng)過多參數(shù)修正后的頭型比較圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的主要設(shè)計(jì)思路是1)將初始頭型的外形進(jìn)行離散化，即劃分出表面網(wǎng)格；2)依據(jù)頭型的特點(diǎn)指定關(guān)鍵控制點(diǎn)及其位置參數(shù)，控制點(diǎn)參數(shù)個數(shù)和位置的確定依據(jù)實(shí)際情況而定，所述控制點(diǎn)的位置參數(shù)一般基于空間直角坐標(biāo)系，給定其三維坐標(biāo)值；3)對每個關(guān)鍵控制點(diǎn)給定其控制域范圍，所述控制域的概念為控制點(diǎn)的變化所影響的鄰域區(qū)間，該控制域形狀及大小應(yīng)依據(jù)實(shí)際情況給定；4)通過搜索確定控制點(diǎn)及控制域的坐標(biāo)所在表面網(wǎng)格點(diǎn)的位置，搜索方法可以采用通用的搜索方法，如遍歷搜索法、二分法等；5)給定每個關(guān)鍵控制點(diǎn)的修正量，修正量可通過指定其與關(guān)鍵控制點(diǎn)間的距離和方向余弦確定，亦可通過給定關(guān)鍵控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)偏移量確定；6)給定每個關(guān)鍵控制點(diǎn)控制鄰域內(nèi)的分布函數(shù)，即每個控制鄰域內(nèi)的插值函數(shù)， 該函數(shù)的作用為確定每個關(guān)鍵控制點(diǎn)修正量對其控制鄰域內(nèi)相關(guān)網(wǎng)格點(diǎn)修正量的影響程度。該分布函數(shù)應(yīng)依據(jù)實(shí)際外形的特點(diǎn)及控制鄰域邊界的光滑性要求給定。一般可采用余弦分布函數(shù)、sigmoid函數(shù)、或相對較為復(fù)雜的樣條函數(shù)；7)依據(jù)每個關(guān)鍵控制點(diǎn)的修正量及其在控制鄰域內(nèi)的分布函數(shù)，計(jì)算獲得其控制鄰域內(nèi)的每個網(wǎng)格點(diǎn)的修正量；8)將修正量按網(wǎng)格點(diǎn)位置逐點(diǎn)與原外形的相關(guān)網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)疊加，獲得修正后的列車外形。下面結(jié)合附圖來進(jìn)一步具體說明本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路。列車流線型頭部的初始外形如圖1所示。整個頭型可以大致分為下整流罩1、鼻錐2、前蓋板3、駕駛艙4和側(cè)板5等幾個區(qū)域，但大多數(shù)區(qū)域之間都采用光滑過度的方式設(shè)計(jì)，各區(qū)域之間并沒有明顯的分界線。依據(jù)原外形的特點(diǎn)，應(yīng)用本發(fā)明提出的方法進(jìn)行外形修正的流程如下對原外形進(jìn)行離散化，劃分出原外形的表面網(wǎng)格，如圖2所示；圖2初始頭型的表面網(wǎng)格分布指定關(guān)鍵控制點(diǎn)及其坐標(biāo)參數(shù)，在這一實(shí)例中，依據(jù)頭型自身的特點(diǎn)，指定左右對稱面上的下整流罩凹陷點(diǎn)、鼻錐點(diǎn)、前蓋-駕駛艙連接點(diǎn)作為關(guān)鍵控制點(diǎn)，進(jìn)一步依據(jù)外形提取上述三個點(diǎn)的坐標(biāo)值，分別為下整流罩凹陷點(diǎn)(-38003. 77,319. 09)，鼻錐點(diǎn) (-38291. 86，413. 79)，前蓋-駕駛艙連接點(diǎn)(-35487. 68，2362. 23)，上述坐標(biāo)值的坐標(biāo)原點(diǎn)選擇為三列編組列車的中心點(diǎn)，單位均為毫米。確定每個關(guān)鍵控制點(diǎn)的控制鄰域，這里控制鄰域的橫向范圍均為全域，縱向范圍為前一控制點(diǎn)的縱向坐標(biāo)(或下邊界值的縱向坐標(biāo))至下一控制點(diǎn)的縱向坐標(biāo)(或上邊界值的縱向坐標(biāo))；通過遍歷搜索獲得上述關(guān)鍵控制點(diǎn)所在的網(wǎng)格點(diǎn)編號；給定每個控制點(diǎn)的外形修正量，這里外形修正量可在邊界值范圍內(nèi)任意給定，詳細(xì)的修正量數(shù)值及其對應(yīng)修正外形后文詳述。給定每個控制點(diǎn)其控制鄰域內(nèi)的分布函數(shù)，這里按照初始頭型的特點(diǎn)，采用余弦分布函數(shù)，如此可保證在邊界連接處至少保證一階光滑。
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基于上述流程，給定不同關(guān)鍵點(diǎn)修正量所獲得的修正后外形如下所示指定下整流罩凹陷點(diǎn)的凹陷度增加5%，所獲得修正外形與原外形的比較如圖3 所示(圖中TL平面左側(cè)為修正后的外形，右側(cè)為原外形)。指定鼻錐長度增加5%，所獲得修正外形與原外形的比較如圖4所示(圖中)(Z平面左側(cè)為修正后的外形，右側(cè)為原外形)。指定鼻錐高度增加20 %，所獲得修正外形與原外形的比較如圖5所示(圖中)(Z平面左側(cè)為修正后的外形，右側(cè)為原外形)。指定前蓋-駕駛艙連接點(diǎn)驗(yàn)車體軸向位置增加10%，所獲得修正外形與原外形的比較如圖6所示(圖中XL平面左側(cè)為修正后的外形，右側(cè)為原外形)。同時修正上述參數(shù)，即下整流罩凹陷點(diǎn)的凹陷度增加5%、鼻錐長度增加5%、鼻錐高度增加20%、前蓋-駕駛艙連接點(diǎn)驗(yàn)車體軸向位置增加10%后，所獲得修正外形與原外形的比較如圖7a、7b所示。(圖7a為原外形，圖7b為修正后的外形)從前述外形修正前后的比較圖可以看出，采用本發(fā)明提出的列車頭型外形修正方法對頭型進(jìn)行修正后，頭型的相關(guān)位置有效修改，且可完全保持原頭型的特點(diǎn)及式樣，此外，修正參數(shù)的個數(shù)可以依據(jù)實(shí)際情況任意選擇，可保證采用較少的設(shè)計(jì)參數(shù)來對頭型進(jìn)行修正。同時，采用合理的分布函數(shù)，可保持原外形的光滑程度。因此，本發(fā)明提出的方法具有思路簡單、實(shí)現(xiàn)方便等特點(diǎn)，十分適合于實(shí)際工程應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種高速列車頭型設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟1)對已設(shè)計(jì)的列車頭型的外形做離散處理，形成與初始頭型的外形相擬合的表面網(wǎng)格；2)依據(jù)頭型的特點(diǎn)選擇關(guān)鍵控制點(diǎn)并確定該關(guān)鍵控制點(diǎn)的位置參數(shù)；3)確定所選擇的關(guān)鍵控制點(diǎn)的控制域，并確定該控制域的形狀及大??；4)給定所選擇的每個關(guān)鍵控制點(diǎn)的修正量，同時給定每個關(guān)鍵控制點(diǎn)控制鄰域內(nèi)的分布函數(shù)；5)依據(jù)每個關(guān)鍵控制點(diǎn)的修正量及其在控制鄰域內(nèi)的分布函數(shù)，計(jì)算獲得其控制鄰域內(nèi)的每個網(wǎng)格點(diǎn)的修正量；6)將修正量按網(wǎng)格點(diǎn)位置逐點(diǎn)與原外形的相關(guān)網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)疊加，從而獲得修正后的列車外形。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述關(guān)鍵控制點(diǎn)選擇下整流罩、鼻錐、前蓋板、駕駛艙、側(cè)板、頂板的一個或一個以上的區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高速列車頭型設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟1)對已設(shè)計(jì)的列車頭型的外形做離散處理，形成與初始頭型的外形相擬合的表面網(wǎng)格；2)依據(jù)頭型的特點(diǎn)選擇關(guān)鍵控制點(diǎn)并確定該關(guān)鍵控制點(diǎn)的位置參數(shù)；3)確定所選擇的關(guān)鍵控制點(diǎn)的控制域；4)給定所選擇的每個關(guān)鍵控制點(diǎn)的修正量；5)依據(jù)每個關(guān)鍵控制點(diǎn)的修正量及其在控制鄰域內(nèi)的分布函數(shù)，計(jì)算獲得其控制鄰域內(nèi)的每個網(wǎng)格點(diǎn)的修正量；6)將修正量按網(wǎng)格點(diǎn)位置逐點(diǎn)與原外形的相關(guān)網(wǎng)格點(diǎn)坐標(biāo)疊加。本發(fā)明通過數(shù)值分析等手段可獲得設(shè)計(jì)參數(shù)對列車氣動阻力、升力、交會壓力波等關(guān)鍵性能指標(biāo)的影響幅度，為進(jìn)一步的頭型修正提供指導(dǎo)方向。
文檔編號G06F17/50GK102201025SQ201110191550
公開日2011年9月28日 申請日期2011年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月8日
發(fā)明者崔凱, 楊國偉 申請人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所