基于3dsMax的高速铁路局部地形空气动力学仿真模型的构建.pdf

2 0 1 5年第 9期 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i ng 1 31 文章 编 号 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 5 0 9 0 1 3 1 ． 0 4 基于 3 d s Ma x的高速铁路局部地形空气动力学 仿真模型 的构建 杨永刚 ， 罗禄 林 ， 周朝 晖， 许建林 兰州交通大学 机 电工程学 院， 甘肃 兰州 7 3 0 0 7 0 摘 要 局部 地 形地 貌对 大风 风场 下 高速 列车 气动性 能及 安全 运行 有 重要影 响 ， 其三 维造 型是 空 气动 力 学 问题数值仿真的基础。基于局部等高线数据 ， 采用 3 d s M a x软件进行 了兰新第二双线特定区域的地 形 地貌 三 维建模 问题 的研 究 ， 介绍 了 C F D数 值 模 拟 对三 维地 形地 貌 建 模 的要 求 ， 采 用的软 件 优 化技 术保 证 了所建模型具有较高的保真度 ， 为今后大风下列车空气动力学问题的工程评估提供 了基础。 关 键词 地 形地 貌建模3 d s Ma x 数 值模 拟 兰新 第二 双 线 中图分 类 号 U 2 1 2 ． 3 ； U 2 6 0 ． 1 7 文献标 识码 A D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ i ． i s s n ． 1 0 0 3 1 9 9 5 ． 2 0 1 5 ． 0 9 ． 3 7 在传统方式下铁路地形三维场景设计是 以二维的 平面、 纵断面和横断面图形数据为主来表达的 ， 只有掌 握专业知识的人才能看懂或凭借经验想象出铁路地形 的 三维场 景 ⋯ ， 难 以直 观 地 判 断铁 路 周 围行 车 环 境是 否安全。随着我国高速铁路 的建设 、 运营以及 相关 空 气 动力学 研究 的深化 ， 在进 行 大 风 环 境 效 应 影 响 的数 值仿真时， 需考虑到线路周 围地形 的影响才能得出合 理 的空气 动 力 效 应 预 测 结 果 。 田红 旗 提 出 了列 车 周 围 的局 域地 形地 貌 环 境 对 高 速 列 车性 能 的影 响 ； 牛 纪强 等 对 高 速 列 车 通 过 特 殊 地 形 地 貌 峡 谷 风 区时 的 列 车 的 气 动 性 能 进 行 了 研 究 ； 周 丹 、 苗 秀 娟 等 研究 了峡谷间距及列车在桥上不同位置 时峡谷 风对 列车 气动 性能 的影 响规 律 。 国外 ， 三维可视化技术在 2 0世纪 9 0年代后逐渐 在铁路 工 程 中的地 形建 模 与可视 化研 究 中得 到发 展和 应 用 。 比较著 名 的三 维可 视 化 系 统有 英 国的 MX R o a d 系统 、 德 国的 C A R D ／ 1系统 、 美 国 I n t e r g r a p h公 司 的 I n R o a d s 软 件 、 E s r i 的 A r c G I S软件 等 。 国 内 ， 南 京 李 方 广 华 软 件 开 发 有 限 公 司 的 3 D R O A D软件使 铁 路设 计 人 员 在 完 成 铁 路 平 面 、 纵 断 面 、 横 断面设 计 后 ， 可 以快 速 建立 线路 、 地形 、 道 路工 程 设施 的三 维模 型 ， 可 以从 任 意 角 度 观 察 、 显 示 设 计 成 果 ； 蒋红 斐 等 提 出 了 以 D E M 为 数 据 基 础 的方 式 来 建立三维铁路地形模 型； 余璨等 对 G I S的三维地形 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 4 3 O ； 修 回 日期 2 0 1 5 0 5 2 0 基金项 目 中国铁路总公司科研试验项 目 Z 2 0 1 4 ． 0 3 4 作者简介 杨永刚 1 9 9 0 一 ， 男 ， 甘肃兰州人 ， 硕士研究生。 建模 及应 用 进行 了研 究 ； 吴 超 彬 对 3 d s Ma x地 形 建 模进 行 了研 究 ； 杜研 对 基 于 S k e t c h U p的三维 地貌 建 模 方法进 行 了研究 。 由于本 文 中所 建 的地形 要用 于后 续 的空气 动力 学 数值模拟计算 ， 地形模型须符合数值模拟的要求 。数 值模拟要求地形既能符合实际地形 ， 又能够使地形表 面划分出较高质量 的计算网格。复杂 、 起伏较大、 不连 续地 形表 面 给后续 的 网格 划分 造 成 困难 ， 而 且 会 出 现 质量较差 的网格 ， 影响数值计算结果。因此 ， 在尽量保 证地 形模 型符 合实 际的 情况 下 ， 须对 上 述 地 形 进 行局 部平 滑处 理 ， 进 而 划分 出高 质量 网格 。 本文 以兰新第二双线特定 区域 的地形为例 ， 重点 阐述了利用已有 A u t o C A D等高线 ， 使用 3 d s Ma x软件 进行三维实体地形建模的方法。 1 兰新线地理环境特点 新建 兰新铁路第二双线正线全长 1 7 7 6 k m， 通过 安西 风 区 、 烟 墩 风 区 、 百 里 风 区 、 三 十 里 风 区 、 达 坂 城 风 区等 五 大 风 区 。风 区 长 度 合 计 5 7 9 ． 5 9 9 k m， 占线 路 总 长 的 3 2 ． 6 ％ 。百里 风 区 、 三 十 里 风 区 的 风 力 最 为强 劲 ， 部 分 区段 年 均 8级 大风 天 气 达 到 2 0 8 d ， 最 大 风 速 达 6 0 m／ s ， 相 当 于 1 7级 风 。 根 据 风 区 特 点 ， 线 路 分别 设 置 了扶 臂 式 挡 风 墙 、 柱 板 式 挡 风 墙 ， 桥 上 单 双 侧 防 风 屏 、 防风 明 洞 等 。在 新 疆 段 风 区 内有 隧 道 、 防风 明洞 、 明洞 渡 槽 、 铁 路 立 交 明 洞 、 铁 路 大桥 及高架桥 等特 殊路况 。针对 这些 防风设 施 ， 需要结 合地形地貌建立适用于 C F D计算 的几何模型。实地 考 察发 现 ， 不 同 区域 的地 形 地 貌 复 杂 多 样 ， 局 部 多处 1 3 2 铁道建筑 裂缝 ， 变化剧烈 ， 给空气动力学 问题 的数值模 拟带来 极 大 困难 。 2 建模方法 常规 三维 地貌模 型 的建模 方式 分 为表面 建模 和实 体建 模 。表 面建模 是通 过面 的几何 形态 来体 现立 体结 构 ， 着重 于对 三维 空 间表 面 的展 示 。其 优 点 在 于数 据 存储 量相 对较 小 ， 能 够快 速建 立三 维模 型 ， 不 足之 处在 于没有空间分析功能。实体建模则是利用三维实体来 创建三维模型， 应用三维实体单元 如长方体 、 圆柱体 等 作为模型载体 ， 对各三维实体单元详细建模 ， 将各 实体 组合 起来 ， 建 立 三 维 实体 地 形 。表 面 模 型 只 能表 示物体的表面边界 ， 而没有表达出真实属性如质量、 转 动惯量等。在该模型 中只有一张面 的信息， 对物体究 竟 存在 于表 面 的哪一 侧 并 没有 给 出 明确 的定 义 ， 无法 计 算和 分析 物体 的整体 性质 。实 体模 型则 是在 表面模 型的基础上再定义物体存在于面的哪一侧而建立的。 实体模型具有关于立体 的各种信息。因而可用来计算 物体的质量 、 质心、 体积、 转动惯量等物质特性 ， 还可以 对物体 进行实体 剖切 、 数值模拟 网格划 分和优化 设 计 等 。 由于表面模型会给后期计算模型的装配工作带来 不便 ， 本文采用实体建模方法 ， 用等高线创建的地形表 面和多边形实体进行布尔操作 ， 创建出三维实体地形。 3 建模 过程 在 建模 时 ， 先应 用 “ 网格 建模 ” 功 能用 等 高 线生 成 不规则三角 网地形 曲面 ， 然后用 3 d s M a x基本建模功 能生成平面和多边形实体 ， 再用“ 依 附建模 ” 功能将平 面贴 合到 三角 网地 形 曲 面上 ， 创 建 出规 则 网格 地 形 曲 面， 之后用规则 网格曲面代替不规则三角网曲面 ， 最后 用 3 d s Ma x的“ 布尔 ” 功 能对规 则 网格 曲面 和多边 形实 体进 行布 尔操 作 ， 创 建 三维实 体地 形 。 3 ． 1 导入 等高 线 3 ． 1 ． 1 等 高线 的获 取和要 求 等高 线是 指地 形 图上高 程相 等 的各 点所 连成 的闭 合 曲线 ， 可 以利用 G I S工具 如 A r c G I S 矢量 化地 形 图 来 获取 ， 基 于 数 字 高 程 模 型 D E M 与 数 字 地 表 模 型 D T M 自动生 成 ， 对 实测 高 程 点进 行 插 值计 算 生 成 或 者使用 A u t o C A D软件对实测高程点进行处理 ， 绘制生 成 多线 段 的 等 高 线 ⋯。 。本 文 地 形 建 模 时 所 用 等 高 线 由勘察 单 位提供 。 由于数 值模拟 对 地 形 的要 求 高 ， 绘 制 的等 高 线 在 地 形变 化大 的地 方要 比较 密 。等高线 形状 最好 避免 剧 烈 变化 ， 尽量 保持 连 续 。这 样 由等 高 线创 建 的地 形 能 平 滑过 渡 ， 不 会有 局部 断裂 、 奇异单 元 、 夹层 等现 象 。 3 ． 1 ． 2等 高线导入 在 菜单栏 上 ， 选择 “ 文件 ”“ 导 入 ” 。在 “ 选 择 要 导 入 的 文 件 ”对 话 框 中 ， 将 “文 件 类 型 ”更 改 为 “ D WG” ， 选择 要 导 入 的等 高 线 文件 。3 d s Ma x在 导 入 C A D图纸 时 ， 传 人 的 文 件 单 位 要 与 插 入 单 位 一 致 ， 保 证 导入 的图纸正 确转换 为场 景 中设置 的单 位 。 3 ． 2地形创 建和 优化 3 ． 2 ． 1 不规 则 三 角网地 形 曲 面的创建及 其 特点 3 d s Ma x中 创 建 的 地 形 曲 面 由不 规 则 三 角 形 组 成 。它是 表示数 字 高程 模 型 的 一种 方 法 ， 是 将 密 度 不 同且 不规 则分 布 的地 形特 征点 根据一 定规 则连 接成 覆 盖整 个 区域且互 不 重叠 的三角形 而 构建 的模 型。不 规 则三 角形 模型较 多 地选 用 了地 形特 征 点 ， 因此 能 够 比 较准 确地 表示 出地形 特征 。 采样 点 的密度 和 相对 位 置 不 同 ， 不 规 则三 角 形 的 形状 和 大小也 不相 同 。对 于起 伏多 变 的复杂地 形可 以 用小 而 密 的三 角 形 来 模 拟 ， 更 逼 真 地 还 原 地 形 细 节 。 对平 坦 的地 区就用 比较 大 的三角形 来模 拟 以避免数 据 冗余 。这与实际的地形特征一致 ， 能够较好地反映实 际地形 。 在 “ 工具 ” 面板 中 ， 打 开 “ 层 管 理 器 ” ， 然后 选 中 等 高线图层 ； 在“ 创建” 面板中， 单击 “ 复合” 旁边的下拉 菜单 ， 然后单击 “ 地形” 选项 ， 创建 出不规则 三角网地 形 曲面 ， 如 图 1 a 所示 。 由等 高线创 建 的不 规 则 三 角 网地 形 曲 面 ， 在 地形 变化剧 烈 的地方 ， 出现奇异 单元 ， 在 等高线 不连 续 的地 方 ， 可 能 出现地形 曲面 断 裂 的情 况 。这 不 利 于 后 续数 值模拟计算时网格的划分 ， 需对不规则三 角网地形曲 面进行 优 化 。本 文运 用 规 则 网 格平 面 ， 将 规则 网格 平 面贴合 到 不规则 三 角 网地 形 曲 面 上 ， 用规 则 网格 曲面 代替不规则三角网曲面， 避免地形 出现上述不利于数 值模 拟 网格划分 的情 况 。 3 ． 2 ． 2规 则 网格 地 形 曲面的创 建及 其缺 点 先通 过 3 d s Ma x的平 面 创 建 功 能 ， 创 建一 个 比地 形投 影大 的平 面 。通 过调 整 平 面 参 数 ， 来 控制 平 面 中 网格 的大 小 。创建 的平 面 在 y面 上 的大 小 和不 规 则 三 角 网地 形 在 y面 上 的投 影 大 小 相 当 ， 在 z 方 向上 ， 将平 面移 动 到地形 正上 面 ， 如图 1 b 所示 。 选 中创 建 的 平 面 ， 再 用 3 d s Ma x的 “ 创 建 ” 、 “ 复 合 ” 、 “ 一 致 ” 功 能 ， 将 平 面 复 合 到 地形 曲 面 上 ， 用 规 则 网格代 替不 规则 三角 网格 ， 创建规 则 网格地 形模 型 ， 如 图 1 c 所示 。 在 数值 模拟 时 ， 对 地形 和其他 部 件进 行装 配 ， 组 成 三维计算 模 型 。在后 续 的装 配 建模 中 ， 地 形 曲 面在 装