[发明专利]一种基于NURBS可调权因子的钢轨断面廓形参数化建模方法

说明书

技术领域

本发明属于机械工程钢轨打磨廓形的优化技术领域，尤其涉及一种基于NURBS可调权因子的钢轨断面廓形参数化建模方法。

技术背景

随着我国高速铁路运营里程不断增加，在高速铁路线路长时间运营之后，铁道线路钢轨会出现明显的磨损、裂纹、压溃等病害，需要在一定周期内对钢轨断面廓形进行打磨，以保证轨道车辆运行安全性，提高车辆的运行稳定性，并在一定程度上延长钢轨的使用寿命。在钢轨打磨施工之前，根据磨损线路的实际情况，优化钢轨断面打磨廓形，对于提高打磨质量、保证轨道车辆的运行平稳性与稳定性具有重要意义。近年来，相关学者对钢轨打磨廓形的优化开展了相关工作，并获得了对应的进展。贾晋中和司道林(贾晋中，司道林.朔黄铁路小半径曲线轨道钢轨打磨目标型面研究[J].中国铁道科学.2014(04):15-21.)以保证合理轮径差和降低轮轨接触应力为目的，基于打磨实际经验，分别设计了小半径曲线内、外侧钢轨断面的打磨廓形。肖杰灵和刘学毅(肖杰灵，刘学毅.钢轨非对称廓形的设计方法[J].西南交通大学学报.2010(03):361-365.)以不同轨底坡产生的不同轨头廓形作为优化的钢轨断面打磨廓形，以等效锥度、接触应力值和打磨量作为打磨廓形的设计评价标准，得到了较优的钢轨打磨目标型面。周清跃等(周清跃，张银花，田常海，等.60N钢轨的廓形设计及试验研究[J].中国铁道科学.2014(02):128-135.)以曲线线路上车轮轮缘贴靠钢轨形成共形接触为目标，对CHN60钢轨断面廓形进行了优化。当前，在为了获得优化的钢轨断面打磨廓形，基于实际打磨经验设计了多个对应的钢轨打磨廓形，通过对比分析选择较优的钢轨打磨廓形，对于改善轨道车辆轮轨接触性能，提高车辆的曲线通过能力具有重要作用。但是，在优化钢轨打磨廓形的过程中，都没有建立钢轨断面廓形的参数化模型，不能实现对钢轨断面打磨廓形进行连续、精确的调整，所确定的最优廓形都是根据打磨经验确定的较优廓形，导致获得的最优钢轨断面打磨廓形不具有全局最优性，不利于保证钢轨打磨质量。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于NURBS可调权因子的钢轨断面廓形参数化建模方法，对于实现钢轨断面打磨廓形的局部连续、精确调整，满足钢轨断面打磨廓形优化需要，保证钢轨断面打磨廓形最优性，提高轨道车辆运行平稳性与稳定性，延长铁道线路钢轨的使用寿命等都具有十分重要的意义。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于NURBS可调权因子的钢轨断面廓形参数化建模方法，包括以下步骤：

1)利用CAD软件或者钢轨轮廓扫描仪，获得钢轨断面廓形的数据点坐标值，用于作为NURBS曲线的型值点坐标，所述型值点坐标为二维坐标，包括x轴、y轴坐标值；

2)以钢轨断面廓形轨顶中心点为原点，水平方向为x轴，垂直方向为y轴，构建钢轨二维坐标系，将型值点坐标转换为钢轨二维坐标系下的坐标值，并将之以TXT格式保存；

3)基于NURBS曲线基本原理，设计利用型值点反求NURBS曲线控制点的计算流程；

4)编写NURBS曲线建模的可调权因子数据文件ω(ω₁,ω₂,…,ω_n)，用于后续NURBS曲线形状的修改，所述数据文件的权因子ω_i的值均为1；

5)基于MATLAB平台，开发钢轨断面廓形曲线参数化图形用户界面，所述界面的可执行步骤包括钢轨型值点坐标文件的输入；可调权因子数据文件的输入；NURBS曲线控制点的计算；NURBS可调权因子数据文件的修改与更新；NURBS曲线方程的计算；显示参数化NURBS曲线图形；

6)在钢轨断面廓形曲线参数化图形用户界面中输入型值点坐标数据，对TXT坐标文件进行修改、更新；

7)在钢轨断面廓形曲线参数化图形用户界面执行NURBS曲线控制点反求计算流程，获得钢轨廓形的控制点坐标文件P(p₁,p₂,…,p_n+4)；

8)根据实际需要修改的廓形区域，确定需要修改的控制权因子(ω_i，…,ω_k)，在钢轨断面廓形曲线参数化图形用户界面对权因子坐标文件ω进行更新；

9)在钢轨断面廓形曲线参数化图形用户界面执行钢轨断面廓形参数化图形显示命令，所述参数化图形显示命令是通过计算NURBS曲线方程，获得修改后的钢轨断面廓形；

10)输出参数化模型并保存数据文件。