基于伴随方法的高速列车头型气动优化

为改善高速列车明线运行时的气动性能,基于伴随方法和径向基函数网格变形技术,开展高速列车头型气动优化设计。采用径向基函数网格变形技术,避免列车头型优化过程中的网格重复生成,提高头型优化的效率。通过伴随方法求解目标函数对列车头型的敏感度,无须定义任何的头型设计变量,避免人为指定设计变量对优化结果的影响。将网格变形技术、伴随方法及计算流体动力学（Computational fluid dynamic,CFD）方法相结合,构建高速列车头型优化设计流程,选取整车气动阻力和尾车气动升力为优化目标,对高速列车头型进行多目标气动优化设计。结果表明：伴随方法可以有效地应用于高速列车的头型优化;优化后,在满足约束条件的情况下,列车的整车气动阻力减小2.83%,尾车气动升力减小25.86%;气动阻力减小主要位于头尾车流线型部位,中间车和头尾车车体气动阻力基本保持不变;尾车气动升力减小主要位于流线型部位,尾车车体向下的升力绝对值也有所减小。     

横风下高速列车流线型头型多目标气动优化设计

为改善高速列车的横风气动性能,建立高速列车流线型头型的多目标优化设计方法,以横风下高速列车的侧力和升力为优化目标,对高速列车流线型头型进行多目标自动优化设计。建立高速列车流线型头型的参数化模型,提取出5个优化设计变量,利用计算流体动力学方法进行高速列车流场计算,并结合多目标遗传算法,实现横风下高速列车流线型头型的自动寻优设计。通过相关性分析,得到影响侧力和升力的关键优化设计变量,并进一步研究关键优化设计变量和优化目标之间的非线性关系。经过多目标优化设计,获得一系列的Pareto最优头型,这些头型的横风气动性能均得到明显改善。同时为保证无风环境下高速列车的基本气动性能不发生恶化,最终筛选出8个Pareto最优头型。对于这8个Pareto最优头型,相对于原始头型来说,横风下的侧力最多可降低3.06%,横风下的升力最多可降低19.60%,无风时的气动阻力最多可降低4.51%,无风时的气动升力最多可降低9.68%。     

超高速列车流线型头型多目标优化设计

为改善高速列车明线运行时的气动性能,建立高速列车流线型头型的多目标优化设计方法,以高速列车的整车气动阻力和头车最大表面声功率为优化目标,对流线型头型进行多目标自动优化设计。建立三车编组某新型超高速列车的参数化模型,提取头型的五个设计变量,采用ICEM CFD软件脚本文件对列车周围流场区域进行网格自动划分,采用FLUENT软件脚本文件对列车气动力和表面气动噪声源声功率进行自动计算,通过第二代非劣排序的遗传算法(Non-dominated sorting genetic algorithm-II,NSGA-II)对设计变量进行自动更新,实现超高速列车头型的自动优化设计。优化完成后,对优化设计变量与优化目标的相关性进行分析,得到影响优化目标的关键设计变量。结果表明,各优化设计变量与两个优化目标的相关性相同,只是相关系数值不同。经过多目标优化设计,得到一系列的Pareto最优头型;与原型列车相比,优化后列车的整车气动阻力最多减小2.91%,头车最大表面声功率最多减小7.47%。     

基于域动网格技术的列车外形对气动性能的影响研究

为解决隧道与列车相对运动的问题,将域动网格技术应用到列车隧道效应研究中。通过建立高速列车隧道物理模型,采用有限体积法求解三维可压缩非定常流动模型以及双方程湍流模型,开展了高速列车穿越隧道时的非定常流场的数值模拟。研究了列车头型对列车尾涡的影响,列车头型对列车车身表面压力的影响,车长对列车摩擦阻力和列车压差阻力的影响。在计算结果的基础上对高速列车的头型和车长进行了评价。研究结果表明：列车头型的流线化程度越高,列车的气动阻力越小,列车尾涡涡心越低;列车长度对列车的压差阻力影响不大,对列车的摩擦阻力影响较大;通过数值计算得到的结果可以为列车头型的设计提供理论依据,为列车车长的定型和列车减阻提供参考。     

Study on effect of train's shape on aerodynamic performance by moving zone

为解决隧道与列车相对运动的问题,将域动网格技术应用到列车隧道效应研究中.通过建立高速列车隧道物理模型,采用有限体积法求解三维可压缩非定常流动模型以及双方程湍流模型,开展了高速列车穿越隧道时的非定常流场的数值模拟.研究了列车头型对列车尾涡的影响,列车头型对列车车身表面压力的影响,车长对列车摩擦阻力和列车压差阻力的影响.在计算结果的基础上对高速列车的头型和车长进行了评价.研究结果表明:列车头型的流线化程度越高,列车的气动阻力越小,列车尾涡涡心越低;列车长度对列车的压差阻力影响不大,对列车的摩擦阻力影响较大;通过数值计算得到的结果可以为列车头型的设计提供理论依据,为列车车长的定型和列车减阻提供参考.     

基于近似模型的高速列车头型多目标优化设计

为改善高速列车气动性能,建立一套高效的多目标气动优化设计方法,对流线型头型进行多目标气动优化设计。建立高速列车流线型头型三维参数化模型,并提取5个优化设计变量;为减少优化设计时间,利用最优拉丁超立方设计方法在优化设计空间中进行均匀采样,利用计算流体力学方法获得对应于各个采样点的气动载荷,利用Kriging代理模型构建优化设计变量和气动载荷之间的近似模型;利用多体系统动力学方法计算气动载荷作用下的高速列车轮重减载率;以气动阻力和轮重减载率为优化目标,利用多目标遗传算法NSGA-II对高速列车流线型头型进行多目标优化。优化设计变量和优化目标均呈现收敛的趋势,采用Kriging近似模型优化计算的Pareto前沿与采用CFD（Computational fluid dynamics,CFD）优化计算的Pareto前沿较为接近。优化后高速列车的气动阻力最多可降低3.27%,轮重减载率最多可降低1.44%,气动阻力最优的头型与轮重减载率最优的头型的主要差异在于中部辅助控制线的变化,前者向内凹,后者则向外凸。     

基于自然色彩系统的高速列车内室色彩设计研究

为创造具有文化认同感与丰富地域特色的高速列车内室,提出一种高速列车内室色彩设计方法。对高速列车内室地域设计色彩的辨识、提取、分析和设计运用进行了论述。以中泰高速列车内室设计色彩为例,对设计方法进行验证。实例表明:运用自然色彩系统方法能够准确有效提高高速列车内室设计的综合质量,具有可行性和实用性,对高速列车后续设计及中国高端轨道交通装备走向国际、加强东盟各国纽带关系具有一定的参考意义。     

基于仿生形态的高速列车气动性能研究

基于工程仿生学理论,提出一种高速列车头型的设计方法,选取自然界中速度较快的几种典型动物为仿生对象,对生物体进行工程化仿生建模,从复杂的三维几何中,提取主要的特征线并忽略次要特征,得到基于仿生形态的高速列车头型,并与CRH型动车组进行基本气动性能的比较。研究结果表明,高速列车以350 km/h在明线下运行时,海豚型列车所受的阻力最小,其次是蜂鸟型,二者的运行阻力均小于CRH型,而大白鲨型列车的阻力最大;分析了各仿生设计列车纵向截面积随距鼻尖长度变化的关系,线性趋势程度由高到低排序:海豚型蜂鸟型CRH型大白鲨型,而列车的阻力系数刚好与该顺序相反,说明头型截面积沿长度方向的线性变化程度越高,其气动阻力越小。     

高速列车头型气动外形关键结构参数优化设计*

降低列车运行阻力和气动噪声是提升高速列车速度能力和环境适应性的有效手段。针对气动阻力、气动噪声这两项优化目标,利用Isight软件建立了集参数化驱动建模、计算网格划分、气动计算、优化分析等步骤的高速列车新头型气动性能自动优化设计流程,运用基于多目标遗传算法NSGA-II的优化设计方法,对鼻尖高度、排障器前端伸缩量、转向架区域挡板倾角等关键设计变量进行了优化设计以及与气动阻力和气动噪声的相关性分析,在此基础上提出了综合性能较佳的新头型气动外形。通过计算结果可知,① 鼻尖高度对整车阻力和头车表面最大声功率均为正相关关系;② 转向架区域隔墙倾角对整车阻力和头车表面最大声功率影响的相关性最大;③ 通过优化转向架区域隔墙倾角可有效降低该处气动噪声的表面声功率。     

我国地铁列车工业设计研究进展

地铁列车是我国轨道交通装备继高速列车之后的又一研究热点。为满足日益增大的地铁市场需求,提高列车的设计质量,对近年来地铁列车工业设计研究取得的成果进行了梳理。归纳了我国地铁列车的主要规格及车体特征,将地铁列车工业设计划分为列车造型与涂装设计、司机室人因适配设计与评价、客室内装设计3个方面进行文献综述和分析。总结了文献中存在的不足,提出司机认知任务和乘客乘车行为、列车综合评价指标体系、虚拟仿真评价技术等方面将是进一步研究的重点,为城市轨道交通装备的设计研究提供参考。     

轨道交通车辆金属蜂窝式防爬吸能器的设计

蜂窝材料以其吸能特性稳定和结构质量轻而越来越多地应用在航空航天、高速列车以及国防装备等领域。文中以高强度六边形金属蜂窝为研究对象,分析高速列车缓冲器的结构原理,为指导后续高速列车用缓冲器缓冲特性及其相关理论的研究,提出高速列车用缓冲器缓冲的设计方法,并给出相应的设计实例,为后续高速列车用缓冲器的设计提供理论指导。     

500 km/h高速列车新头型设计及气动性能研究

基于人机工程约束条件、气动力、气动噪声等多项指标,完成了时速500 km/h动车组头型多学科综合评估和优化设计,获得了更高速度级下排障器前端伸缩量、鼻尖高度和车窗轮廓等关键外形参数对动车组气动性能的影响规律,其中司机室车窗高度对整车阻力影响最大,排障器前端伸缩量对气动噪声影响最大。优化后整车阻力最大减少6.9%,远场气动噪声平均声压级减小1.6dBA,达到低阻力低噪声设计目标。同时获得了整车气动阻力、尾车升力、气动噪声、压力波和横风运行性能等受运行速度的影响规律。研究的新头型相对于既有高速列车车头综合性能更佳,相关研究数据可用于支持更高速度级动车组设计。     

我国高速列车外观设计进展与趋势研究

对近年来高速列车外观设计现状进行了分析及归纳,包括造型元素、色彩元素、地域文化元素、空气动力学元素等在高速列车设计中的应用。通过分析现有高速列车造型特征,阐述了未来高速列车外观设计方法,以及信息时代对高速列车外观设计产生的影响。总结了现有高速列车外观设计特征,并对未来高速列车外观设计发展趋势进行展望。     

基于模糊层次分析的高速列车座椅舒适度评估与应用

为将高速列车乘客座椅舒适度影响因素中的定性问题进行综合定量评价与分析,以乘客的生理、安全、行为、心理和审美为出发点建立了基于乘客需求分析的高速列车乘客座椅舒适度评价指标体系,运用模糊层次分析法构建了座椅舒适度的综合评价模型。在用户体验的基础上,以高速列车二等座椅的设计方案为例进行了舒适度综合评价分析和应用。结果表明:该评价模型能够有效针对不同列车座椅设计方案进行舒适度影响因素的比较和分析,为座椅的设计评估和企业的选型提供了可量化参考的依据。     

高速列车头形的设计几何学方法与气动仿真分析

面向国内高速列车外形设计方案推演过程中家族化语言延续性不足,美学性与实用性不匹配,设计概念与设计实施相脱节等问题,运用设计几何学理论中黄金矩形及黄金分割比的设计方法对国内高速列车头形案例进行分析,寻找造型设计的几何比例规律,总结列车头形设计的几何设计框架,形成高速列车头形衍生化方案.运用计算流体力学(CFD)方法时生成的头形方案进行基本气动性能比较分析,总结列车头形设计变化与列车头部表面阻力的参考关系.通过设计几何学方法与计算机仿真技术,将设计方案的美学延续性与气动性能指标相结合,拓展列车系列头形设计方法的研究广度,提升设计质量.     

基于文本挖掘与神经网络的高速列车意象造型设计

为满足人们对高速列车造型的感性意象需求,提出基于文本挖掘与神经网络的高速列车意象造型设计方法。采用文本挖掘和模块分解,确定高速列车的感性意象集和设计模块库;采用群决策聚类的方法集结感性意象集的评分,从而提高调查样本的信度;应用BP神经网络,获得高速列车设计模块库和感性意象集之间的映射关系。基于建立的映射关系,选择设计模块进行组合与调整,形成符合不同感性意象需求的设计方案。结果表明:该方法较好地模拟了设计思维,可为高速列车造型设计提供有效的辅助与支持。     

高速列车空调系统设计及节能技术

随着我国综合实力不断增强以及科学技术水平迅速提升,我国交通业等基础共同设施数量和质量不断提高,轨道列车建设取得了前所未有的进步,尤其是高速列车的开发创新居世界之首。我国的轨道列车不仅在速度上达到新的高度,而且进行了人性化设计,通过配备空间系统等设施为乘客提供安全舒适的乘车环境。但是在这样优渥的条件背后是以较高能量损耗为基础的,在当今能源紧缺新能源开发尚处于初级阶段的时代,要同时保证国家的可持续发展,对高速列车的空调系统进行节能处理具有不可替代的意义。本文分析我国高速列车当前的空调技术水平和普遍存在的问题,而且重点研究分析了高速列车空调系统的节能技术方案。     

基于本体的高速列车设计知识推送技术研究

高速列车设计是多学科知识密集交互并实现创新的过程,针对高速列车研发过程中知识重用率低、知识价值贡献低、系统智能化程度不高等问题,文章研究了基于本体的高速列车设计知识推送技术,以有效支持高速列车的研发设计,实现设计知识的有效重用。首先,研究了包括用户本体、设计任务本体以及设计知识本体的高速列车设计本体的构建方法,然后,在设计本体的基础上,研究了高速列车设计知识推送的两种模式,即检索式和交互式设计知识推送。最后,以高速列车转向架牵引传动系统为例,验证了该方法的可行性和有效性。     

需求驱动的高速列车动力学性能设计方法研究

高速列车经过多年的发展,已经形成了一系列成熟的车型。但不同运用条件对高速列车功能、特征、性能的需求也不同。在高速列车动力学性能设计过程中,传统的设计模式不能及时地响应用户需求,降低设计效率。因此,从需求角度出发,针对高速列车动力学性能,开展了需求驱动的高速列车动力学性能设计方法的研究。通过需求与设计的映射机制,将需求映射到设计中;基于映射结果,通过对动力学参数进行设计来实现对动力学性能设计,最后获取设计结果,满足设计需求。最后通过实例计算,验证了设计方法的可行性。     

列车车体轻量化设计研究进展

为研究列车车体的轻量化设计方法,对近年来国内外列车车体轻量化设计领域取得的主要成果,及其在高速列车、城轨列车和磁浮列车车体中的应用进行了梳理。分析列车车体的设计要求和数值建模方法;重点研究列车车体结构优化中的拓扑优化、形状优化、尺寸优化和多学科设计优化等方法及其进展;列举镁合金、玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维等新型复合材料在列车车体轻量化设计中的应用,并对现阶段列车车体制造中的工艺参数优化、搅拌摩擦焊和激光焊接等加工工艺进行归纳。指出未来列车车体轻量化设计的发展方向和趋势,旨在为列车车体轻量化设计研究提供参考。