基于3ds Max的高速铁路局部地形空气动力学仿真模型的构建

2015-03-13杨永刚罗禄林周朝晖许建林

铁道建筑 2015年9期

关键词：等高线曲面实体

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 730070)

基于3ds Max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 730070)

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3ds Max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CFD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。

地形地貌建模 3ds Max 数值模拟兰新第二双线

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［1］，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［2］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［3］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［4-5］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20世纪90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MXRoad系统、德国的 CARD/1系统、美国 Intergraph公司的InRoads软件、Esri的ArcGIS软件等。

国内，南京李方广华软件开发有限公司的3DROAD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［6］提出了以 DEM为数据基础的方式来建立三维铁路地形模型;余璨等［7］对GIS的三维地形建模及应用进行了研究;吴超彬［8］对3ds Max地形建模进行了研究;杜研［9］对基于SketchUp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AutoCAD等高线，使用3ds Max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1 776 km，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579.599 km，占线路总长的32.6%。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208 d，最大风速达60 m/s，相当于17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CFD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

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3ds Max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3ds Max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［10］。

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GIS工具(如ArcGIS)矢量化地形图来获取，基于数字高程模型(DEM)与数字地表模型(DTM)自动生成，对实测高程点进行插值计算生成或者使用AutoCAD软件对实测高程点进行处理，绘制生成多线段的等高线［11-12］。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“DWG”，选择要导入的等高线文件。3ds Max在导入CAD图纸时，传入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

3ds Max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3ds Max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xy面上的大小和不规则三角网地形在xy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3ds Max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

配时不易于切割以及布尔等操作。为了便于后续的装配，要将地形曲面创建成三维实体地形。

图1 规则网格地形模型的创建

3.2.3 三维实体地形的创建

通过3ds Max的“ProBoolean”功能，将多个长方体通过“并集”运算，创建出贴合地形网格形状的多边形实体，如图2(a)所示。创建的多边形实体在 xy面内的投影在地形的投影范围内。

将多边形实体移动到适当位置，使其在高度方向上包含地形，如图 2(b)所示。选中地形，用“Procutter”功能将规则网格地形和所创建的多边形实体合并起来，建成三维实体地形模型，如图2(c)所示。

3.3 模型优化及其优化原理

上述采用平面复合地形三角网创建地形网格曲面的方法得到的地形模型数据排列整齐，结构简单。模型精度视网格大小而定，网格越小，网格密度越大，模型精度越高，其数据量也越大;反之模型精度越低，数据量越小。使用规则网格模型表达地形时，如果选用较小的网格，则会在地势平缓地区出现数据冗余，而选用较大网格时，又不能准确表达地形细部特征，影响后续的数值模拟结果，为了尽量减小地形误差带来的影响，需对地形进行优化。可以根据地形特点，通过对地形网格进行局部加密和优化，对不同地区建立不同精细程度的地形模型。通过网格“细化”功能，在地形复杂地区，建立精度较高的地形模型，而在地形平坦地区，建立较低精度的地形模型，最终建立失真度较低的三维实体地形。

图2 实体地形的创建

4 建模示例与评价

本文利用已有的等高线，完成了对兰新二线铁路路堑、路堤、隧道、防风明洞、高架桥等路况的地形建模，如图3所示。

图3(a)所示的直切式大步隧道和图3(b)所示的斜切式红西隧道路堑型地貌结构，线路处的路堑结构并不是原始地貌，而是在线路施工时所挖，而用等高线创建的原始地形，不存在路堑结构，与实际地形存在差异，因此，在数值模拟时，需根据路堑施工参数在原始地形中切割出路堑结构。同理，图3(c)所示的防风明洞和桥接续的路堤型地面结构和图3(d)所示的防风明洞路堤，其路堤结构是线路施工所致，并不是原始地形结构，在数值模拟时也需创建其路堤。图3(e)所示的白杨河桥式的高架桥地形，在桥的两端施工时对原始地形进行了填挖，在创建数值模拟地形时根据填挖的地形参数创建出填挖结构。

本文根据等高线数据和施工参数创建的地形模型符合实际情况，有效减小了地形误差对数值模拟计算结果的影响。