真空管道运输系统的参数化概念设计

真空管道运输系统的参数化概念设计
汤兆平;杨建国;吴松棋;孙剑萍;葛洪林
【摘要】真空管道运输系统（ETT）是下一代理想的陆地运输方式。

系统的外型流线、遮挡系数对列车运行速度和噪声具有重要影响，直接关系到真空管道运输系统的安全性、经济性和舒适性。

利用Pro/E参数化建模功能，最大限度地呈现ETT 系统中包括头车、中间车和尾车、轨道以及管道等，并通过改变模型中各种参数，实现不同外形曲线和尺寸模型的生成，为系统在空气流场、振动应力场、气动噪声场等多场耦合作用下，优化设计合理的列车结构模型和管道系统提供依据。

【期刊名称】《制造业自动化》
【年(卷),期】2013(000)014
【总页数】5页(P118-121,128)
【关键词】真空管道运输;管道模型;Pro/E;参数化设计
【作者】汤兆平;杨建国;吴松棋;孙剑萍;葛洪林
【作者单位】华东交通大学，南昌330013;华东交通大学，南昌330013;华东交通大学，南昌330013;华东交通大学，南昌330013;华东交通大学，南昌330013【正文语种】中文
【中图分类】TP391
0 引言
限制地面高速交通工具发展最根本的因素是稠密的大气。

理论上，气动阻力与物体
速度的二次方成正比，气动噪音随速度七次或八次方而急增，这是任何形式的交通工具都无法避免的客观规律[1]。

所以目前在地面稠密大气层中运行的交通工具，
最高经济速度不超过400km/h[1,2]。

真空管道运输(Evacuated Tube Transportation，简称ETT)正是基于此原理而提出的一种全新的交通运输概念模式，它把列车置于密闭管道，将管道抽成低气压（由于低于0.1个大气压时人的血液开始气化，在现有的技术条件下管道的气压定位在0.1个大气压以上），即在地面创造万米高空的运行环境，也不受环境气候条件变化的影响。

理论上，列车在管道中能以500km/h以上的速度运行。

ETT因具有极高速度、极低能耗、极低噪声、极低污染和较高安全性等优点，普遍认为将是下一代理想的陆地交通工具。

1 真空管道运输系统参数化建模思路
作为一种极具运输潜力的运输工具，真空管道运输从提出到研究的时间很短，目前国内外均无成熟的设计系统可以参照。

但高速列车外形与空气动力学性能有着密切关系，良好的头部外形曲面设计能有效降低运行时的空气阻力及会车时压力波、气动噪音、隧道阻力等问题[3]。

即要在保证车体结构的安全性下，满足外形流线美观、符合气动性能的要求。

本文以动车组结构参数为参考，基于流线型曲面造型方法，采用参数化建模的理论，能大大改善物理模型的修改手段，提高分析的柔性，最大限度地呈现真空管道运输系统中包括头车、中间车和尾车、轨道以及管道等组成部分的结构外形。

通过改变模型中各种参数，实现不同外形曲面和尺寸模型的生成，为下一步的空气动力学分析和模型的优化设计提供依据。

在建立系统参数化物理模型时须引入一些近似假设。

首先是缩短列车长度。

以在上海运行的德国Transrap id 08磁悬浮列车为参考，模型由2个头车和1个中间车
组成。

头车长26.99 m，中间车长24.77m，宽度为3.70m，高度为4.06m，列
车总重为45t，每一部分各为15t。

其次为了简化计算，对列车外形做了一定的几何简化，如忽略转向架、受电弓、车体连接部位等细部结构，这对课题所注重研究
的空气动力学及振动问题是可以理解的。

最后，忽略环境风和线路的影响，假设列车在静止的稀薄空气管道中沿平直线路匀速、平稳运行。

ETT主要由列车、轨道和管道三部分组成。

参数化设计思路主要把机车曲面的外形轮廓分成多个曲面片，构建出各曲面片轮廓曲线，并将这些车体曲面的外形轮廓线用方程、关系式或数据准确表达出来。

然后分别曲面造型，通过调整曲率、添加适当控制线、光滑检测及修改等工具调整曲面。

最后再把这些曲面片有序地拼接成整体并加厚，完成列车外形参数化设计[4]。

使用相同方法，对管道进行参数化设计。

最后在完成列车、管道及轨道的参数化建模基础上，应用虚拟装配技术进行装配，完成真空管道运输系统的整体参数化设计。

2 列车的参数化建模
车头外形参数化设计的难点在于找到控制列车流线型外形的曲线[5]。

为此我们在Pro/E曲面造型中，分别绘制列车横截面、纵截面、水平面的轮廓投影曲线，给这些曲线进行方程定义或是参数设定，再根据机车外形表面的曲率、走向，将列车外形划分成多个曲面片，然后利用Pro/E中强大的曲面造型工具分别创建各个曲面，再按照曲面片内部曲率变化的二阶连续要求把这些曲面片按照一定的顺序和规律拼接而成。

2.1 控制线设计
现有的高速列车流线化外形设计是根据空气动力学和高速列车设计相关理论，并且通过空气动力学数值模拟和比选，经过风洞模拟试验优化设计而成[6]，所以列车
纵截面轮廓线为列车整个流线型外形的主要控制线依据。

为了实现对其参数化控制，我们把其前窗以上到车顶一段纵截面轮廓线定义为椭圆曲线（图1中黄色曲线），通过改变函数参数值，实现车头纵截面流线形状的变化，其设计步骤如下：
1）新建名称为liechetou.prt，点击“造型”，选取right面为草绘平面。

2）单击工具栏上“工具”→“参数”，新建参数m值为2。

单击“基准曲线”，
选择“从方程”→“完成”，选择坐标系类型为笛卡尔坐标系。

输入如下方程：
参数是椭圆长半轴与短半轴的比。

图1 纵截面轮廓线的参照椭圆
3）车头鼻端设计成圆弧型有利于减少空气阻力。

为此在纵切面内绘制一圆弧，使圆弧上端与图1中椭圆曲线相切，切点距椭圆长轴高度为1350，圆弧下端与倒流面过度曲线相切，初设尺寸如图2所示。

图2 车头纵截面轮廓线
4）切换草绘平面到top、right，绘制车头水平截面、纵截面轮廓曲线。

车头侧面轮廓线（图3中的M）对车头流线型外形以及由此产生的气动阻力有直接影响。

为简化模型，我们采用构造空间曲线的方法生成它。

先画出M在水平面、纵剖面的投影，然后利用投影的方式生成所需的M线，最终生成车头三视图（如图3所示），车头空间轮廓如图4所示。

图3 车头轮廓曲线三视图
图3中：L1为鼻端距等截面车身的长度；L2为车身底面1/2宽度；L3为等截面车身最大宽度；Hl为车顶距车身底面高度；H2为鼻端距车身底面高度； H3为前端导流板过度圆弧中心距车身底面高度；H4为等截面车身最大宽度处距车顶面高度；R1为鼻端圆弧半径； R2为鼻端与底部导流板过度圆弧半径；R3为底部导流板与车身过渡圆弧半径；R4为车身顶部圆弧半径；R5为车身侧面控制轮廓侧面圆弧半径；R6为车身侧面控制轮廓鼻端圆弧半径；R7为车顶侧过度圆弧半径；R8为裙部挡板底部侧面圆弧半径；R9为裙部挡板底部前端圆弧半径；R10为车头最大侧面轮廓线在水平面上投影过渡圆半径直径；R11为车头最大侧面轮廓线在水平面上投影过渡圆半径直径；R12为车头最大侧面轮廓线在水平面上投影鼻端过度圆半径；R13为车头最大侧面轮廓线在水平面上投影前端过度圆半径；a为车体
上倾角；b为车体下倾角。

图4 车头空间轮廓线
2.2 轮廓曲线参数设置
在零件模式下，打开参数对话框，分别选取上面绘制轮廓曲线的草绘平面，添加新参数，对每个参数进行命名、输入值和必要的说明（如图5所示）。

图5 纵截面曲线的参数设定
2.3 轮廓曲线添加关系
把前期设置的参数名称与图形上的尺寸代码建立关系，是实现机车参数化的重要步骤。

其操作流程为：单击主菜单“工具”→“关系”，打开关系对话框，在图形上单击选择尺寸代号，将其添加到“关系”对话框中，再编辑关系式，将参数与图形上的尺寸相关联（如图6所示）。

图6 纵截面曲线添加关系
2.4 创建曲面、生成实体
利用Pro/E中的（曲面）和（混合）工具对轮廓曲线进行曲面造型并连接，通过调整曲率、光滑修改使曲面光顺、外形美观，最后合并所有曲面并加厚，厚度设置为100，如图7所示。

图7 车头模型
2.5 绘制机车其他部件
绘制车底板、车轮安装支架，参照车头等截面车身尺寸绘制中间车厢（如图8所示）并进行参数化设置。

参照列车实际车轮尺寸绘制车轮实体（如图9所示）。

图8 中间车厢
图9 车轮
3 管道的参数化建模
ETT的管道横截面可以是圆形，也可以是拱形。

不管是哪种形状都很容易实现参数
化设置。

通过对截面宽、高和壁厚的值进行参数定义，输入数值就可以自动生成管道，以满足系统对不同遮挡系数（列车横截面与管道内径之比）的要求[6]。

ETT管道实验模型，大小可容纳列车车体通过，壁厚要满足一定的刚强度。

本文管道实验模型的断面设计为拱形结构，其初定尺寸及形状如图10和图11所示。

通
过对草绘图形截面尺寸和拉伸长度的参数化，实现管道的参数化建模。

具体建模过程如下：
3.1 绘制管道
使用“草绘”工具，绘制如图10所示截面。

完成后拉伸长度L1初定为100000，再对曲面进行加厚，厚度值初定200，生成图11。

3.2 设定参数
单击工具栏上“工具”→“参数”，新建参数D、H、M、Z、S1、S2，设置初值D=4000、H=5000、M=200。

图10 管道截面形状和尺寸
图11 管道模型
3.3 添加关系
不同管道遮挡系数Z对列车的速度以及产生的气动噪音的影响也是不同的，参数
化优化管道尺寸，可在关系对话框中输入以下关系式：
其中：S1为列车最大横截面面积，S2为管道内部横截面面积。

4 轨道的建模
轨道虽然也是真空管道运输系统的重要组成部分，但因其和普通铁路轨道在外形尺寸上没有差别，我们就以标准普通铁轨尺寸绘制真空管道运输系统的铁轨实体模型。

参照标准铁轨尺寸，绘制铁轨横截面，并拉伸，拉伸值设定为100000（如图12
所示）。

图12 铁轨模型
5 真空管道系统模型的装配
新建一组件，将车头、中间车厢（为简化模型只装配一节）、车轮、车尾(跟车头
一样）进行组装（如图13所示）。

再新建系统总组件，步骤如下：首先通过偏移righ t平面在其两侧各生成一参照平面，两偏移平面间距为列车轨道距离，取1435，引入轨道元件，使轨道纵向对称面与先前偏移平面重合，轨道底面与top
平面重合，轨道横向对称面与fron t平面重合，完成约束；接着再引入先前绘制
的列车进行装配，保证列车纵向对称面与righ t重合，车轮与轨道上表面相切；
最后引入管道元件，完成真空管道系统模型整体装配（如图14所示）。

图13 列车模型
图14 真空管道运输系统装配图
6 结束语
由于在CFD软件包中很难创造出三维流线型车头这样复杂的几何模型[7]。

本文在Pro/E中建立头车、中间车和尾车、轨道以及管道系统的参数化模型，以此作为系统空气动力学、气动噪声和结构分析的基础。

如空气动力学和气动噪声的仿真计算可模型用STEP格式传到Fluen t中进行[8]。

静力分析、结构动力分析及热/结构
分析在内的结构分析，可将模型通过MECHANISM/Pro模块输入ADAMS/View 中进行。

这将为研究管道遮挡系数及列车车头形状与高宽比等系统参数在空气流场、振动应力场等多场耦合作用下,对列车速度、产生的气动噪音以及运行安全和舒适
性的影响提供依据。

参考文献：
[1] 沈志云.关于我国发展真空管道高速交通的思考[J].西南交通大学学
报,2005,4(2):133-137.
[2] 沈志云.我国真空管道高速交通的发展战略和技术方案[J]专家论坛,2005.
[3] 周晓,张殿业,张耀平.真空管道中阻塞比对列车空气阻力影响的数值研究[J].真空科学与技术学报,2008,28(11):535-538.
[4] 孙剑萍.双面加工的弧齿圆柱齿轮精确参数化设计与装配仿真[J].机床与液
压,2010.
[5] 王文涛.高速列车头部外形参数化CAD系统研究[D]. 西安交通大学,2008.
[6] 缪炳荣,肖守讷.列车流线型外形三维参数化CAD系统[J].交通运输工程学
报,2002,12.
[7] 王东屏.CFD数值仿真建模技术研究及其在高速动车组中的验证[D].大连:大连交通大学,2006.
[8] 唐振明.高速列车车头外流场的三维数值模拟[D].大连理工大学,2008.。