基于CATIA的高速铁路隧道洞口复杂结构模型建模

康卫林，周朝晖，许建林

(兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州 730070)

0 引言

兰新铁路第2双线是2014年12月投入运营的国内第1条在高海拔地区修建的高速铁路，正线隧道64座，总长187.15 km，占线路总长度的10.5%。该铁路设计时速为200 km/h，当列车高速通过线路上的隧道时，尤其是在隧道洞口，由于空气动力学的原因将会对车体和乘客产生一系列不同程度的损害。在采用计算流体力学的方法研究这种危害时，不同的隧道洞门结构产生的损害不同，因此对隧道洞门的三维建模对后续的研究工作起到至关重要的作用。

由于历史积累，铁路隧道大量的运用AUTOCAD进行设计，而且大多数情况下只有平面工程图，这对于进行三维数值模拟以及三维直观展示带来了很多不便。而三维设计技术是当前计算机辅助设计技术的发展趋势，在机械、建筑、化工、石油等设计行业已得到广泛的应用［1－3］。兰新铁路隧道洞口的形式有多种，对不同隧道结构形式准确的进行几何建模较为困难。

针对如何准确的进行三维几何建模，黄俊炫等［4］通过采用CATIA三维软件骨架和模板的方法，根据大型桥梁的结构特点对其进行了三维建模;王帅等［5］为了更直观、形象、清晰生动地反映出涵道风扇无人机的实体特性，使人们对涵道风扇无人机有一个具体直观的印象，采用CATIA软件利用用户参数和表格方法建立了涵道风扇无人机的三维模型;路忠锋［6］在CATIA中将参数化建模方法运用在提高汽车车身数据开发，极大的缩短了研发周期;朱晓军等［7］通过编写CATIA宏命令，以及使用曲面及其曲面修饰功能，利用CATIA软件进行船体外形建模;吴文龙等［8］在CATIA软件中将机车转向架分为侧梁和横梁2个模块进行参数化设计，应用VB环境下CATIA二次开发的自动化技术，完成对机车转向架的几何建模。上述研究者通过CATIA软件对不同的几何结构进行三维建模，使人们能更加直观的了解结构的三维特点。但是对于复杂结构隧道洞门的建模方法介绍的相对较少。

本文以兰新第2双线红西隧道乌鲁木齐端为例，重点阐述了借助隧道AUTOCAD工程图，使用CATIA软件进行隧道洞门复杂结构三维建模的方法。

1 高速铁路隧道洞门复杂结构特点

高速列车车头驶入隧道的瞬间，在列车车头处会产生压缩波，即初始压缩波。由此产生一系列空气动力学问题，如洞口微压波等。这些空气动力学问题造成噪音污染等环境问题，而减缓这些空气动力学问题的措施就是合理设计隧道洞门结构［9］。目前高速铁路常用的洞门结构有竹削式和帽檐斜切式［10－11］。其中帽檐斜切式洞门结构外形轮廓曲线最为复杂。

兰新第2双线新疆段穿过烟墩风区、百里风区、三十里风区和达坂城风区这4大风区，约占新疆段线路总长的65%。全段共有隧道14座，其中12座隧道位于4大风区中［12］。这些隧道洞门结构多为帽檐斜切式。图1就给出了位于百里风区的红西隧道乌鲁木齐端洞门的结构实拍图，其结构就是典型的帽檐斜切式。以下就是以此洞门为例来阐述使用CATIA进行三维建模的方法。

图1 红西隧道乌鲁木齐洞门Fig.1 Portal structure on Urumchi side of Hongxi tunnel

2 建模方法

2.1 基本原则

1)大地坐标系。X方向指向线路前进方向，Y方向指向垂直于线路方向，Z方向垂直于隧道平面向上。把坐标原点设置在隧道通道平台和线路中心线交点［4］。

2)建模单位。考虑到隧道几何尺寸较大，统一使用cm作为单位。

3)对称性。考虑到隧道具有对称性的特点，采用对称的方法可以减少近一半的工作量和建模时间。

2.2 建模方法

通过洞口平剖面的dwf格式图纸，进行以下的建模过程，将dwf格式中正视图和侧视图分别保存为jpg格式，并依次命名为“主视图.jpg”和“左视图.jpg”，在此过程为了较清楚地展示相关图示，将工程图中无关的线条删除。以下为具体建模过程。

2.2.1 工程视图的导入

通过Shape模块下的Sketch Tracer命令导入隧道主视图图片［13－16］，结果如图2所示。导入主视图后，需对坐标系统进行坐标系的设置(包括坐标原点和坐标尺度)。具体而言，调整坐标原点到图中O点，X轴的端点调整至A点，Y轴的端点调整至B点。OB的距离为878 cm，这时修改Y轴尺度为此值，则X轴尺度就会变为630 cm，这跟主视图中实际尺度也一致(250+220+160=630)。

图2 隧道洞门正视图调整坐标原点位置(单位:cm)Fig.2 Adjusting of the origin’s position in the front view of tunnel portal(cm)

按照同样的方法导入左视图.jpg，并对相应坐标原点和坐标轴端点尺寸进行调整。方法与导入主视图一致，结果如图3所示。总体效果如图4所示。

图3 隧道洞门左视图(单位:cm)Fig.3 Left view of tunnel portal(cm)

图4 总体效果图(单位:cm)Fig.4 Overall effect diagram(cm)

2.2.2 创建空间曲线

观察图1可以发现，为了能对隧道洞门结构进行造型，关键在于要做出洞门外型轮廓线，要绘制这些轮廓线，需要使用CATIA中创成式外形设计模块。

首先分别在Z－Y平面和Z－X平面创建草图，如图5和图6所示。创建好2个平面上的草图后，使用混合功能，使不平行的草图平面上的2条曲线(图中红色线段)创建出一条空间曲线线段，此曲线线段如图7中蓝色部分，对比图1发现此曲线即为隧道洞门的其中一条轮廓线。

图5 在Z－Y平面上创建草图(单位:cm)Fig.5 Creating a sketch on Z－Y plane(cm)

图6 在Z－X平面上创建草图(单位:cm)Fig.6 Creating a sketch on Z－X plane(cm)

图7 通过2个平面上的草图拟合出的1条空间曲线(单位:cm)Fig.7 A space curve fitted by the sketches on the two planes(cm)

同样的方法，创建其它轮廓线，结果如图8所示。从此图可见，共创建了4条隧道洞门轮廓线(见图中蓝色粗实线)，考虑到曲线生成的需要，还需选用2条草图线作为轮廓线(见图中红色粗实线)。

图8 通过2个平面上的草图拟合出的4条空间曲线(单位:cm)Fig.8 Four space curves fitted by the sketches on the two planes(cm)

2.2.3 创建空间曲面

在创建曲面时使用桥接功能。桥接命令可以在2个不相交的已知曲线间创建桥接曲面。具体如图9所示，在对话框中选中空间曲线1和空间曲线3，点击确定就可桥接出曲面1，按照同样的方法创建其余曲面，如图10所示。

将桥接生成曲面使用曲面结合命令结合成一个整体，再使用对称命令，实现整个隧道洞口的造型，如图11所示。最后将所有曲面进行结合，然后将其封闭就可以转化为实体。

2.3 结果评价

图12和图13是由建模形成的三维图生成的工程图。比较图2与图12，图3与图13可以看出使用CATIA所建模型基本与原图吻合，出现误差的原因应该主要是曲线段拟合精度稍低，可进一步提高曲线拟合精度以达到三维建模的精准度。

图9 桥接命令Fig.9 Blend curve commands

图10 桥接曲面结果Fig.10 Blend surface results

图11 对称后洞门结构Fig.11 Portal structure after symmetry

图12 洞口结构正视图(单位:cm)Fig.12 Front view of portal structure(cm)

图13 洞口结构左视图(单位:cm)Fig.13 Left view of portal structure(cm)

3 结论与讨论

隧道洞门的是一种较为复杂的结构，使用CATIA的Sketch Tracer功能对高速铁路隧道洞门复杂结构进行三维建模，此建模方法快速、准确，完成三维模型失真度低，这为进一步进行相关研究及应用提供了研究基础。

本文对复杂结构隧道洞门的建模方法可以快速和准确的进行建模，但是在利用CATIA软件对复杂隧道洞门的三维建模过程中，尽可能地减少人工的操作因素，提高几何建模的准确度以及准确确定基准点的方法以减少误差等方面有必要进行深入的探讨和研究。

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