時速500公里條件下的高速列車基礎(chǔ)力學(xué)問題研究畢業(yè)論文

1、項目名稱：時速500公里條件下的高速列車基礎(chǔ)力學(xué)問題研究首席科學(xué)家：xxx 中國科學(xué)院力學(xué)研究所起止年限：依托部門：鐵道部 中國科學(xué)院二、預(yù)期目標(biāo)(一) 總體目標(biāo)本項目圍繞時速500公里條件下的列車動力學(xué)行為，開展前沿探索性研究工作，旨在從整個高速列車運(yùn)行速度域的全局來認(rèn)識高速列車關(guān)鍵力學(xué)問題，延拓在不同速度域其力學(xué)問題的一般規(guī)律，掌握在超高速運(yùn)行條件下高速列車及其耦合作用力學(xué)特性，揭示相互作用機(jī)制和影響規(guī)律，探究高速列車運(yùn)動中的臨界問題和極限問題；探究輪軌關(guān)系、弓網(wǎng)關(guān)系和流固耦合關(guān)系等關(guān)鍵力學(xué)行為對高速列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性和舒適性的影響。以此來提升高速列車技術(shù)水平和儲備，取得突破性和創(chuàng)造性

2、的研究成果，引領(lǐng)世界高速列車關(guān)鍵力學(xué)問題的研究。1、 拓展對更高速度條件下高速列車運(yùn)行的關(guān)鍵力學(xué)問題的認(rèn)識。依托時速500公里高速試驗列車，在時速500公里條件下，探明高速列車氣動效應(yīng)特性和規(guī)律；探索復(fù)雜輪軌滾動接觸行為、輪軌黏著機(jī)理；發(fā)現(xiàn)弓網(wǎng)滑動和跳動接觸動態(tài)行為特征、弓網(wǎng)接觸斑形貌、接觸振動和氣流作用對導(dǎo)電、發(fā)熱和微弧產(chǎn)生的影響規(guī)律；分析不同環(huán)境工況下的列車的流固耦合動力學(xué)特性；探討列車整體結(jié)構(gòu)模態(tài)和局部振動模態(tài)的優(yōu)化匹配。通過這些研究，進(jìn)一步發(fā)展既有的相關(guān)理論、認(rèn)知程度、研究內(nèi)容和研究方法，從而在整個高速列車運(yùn)行速度域的全局來認(rèn)識高速列車關(guān)鍵力學(xué)問題，取得突破性和創(chuàng)造性的研究成果，引領(lǐng)世

3、界高速列車基礎(chǔ)力學(xué)問題的研究。同時，揭示關(guān)鍵力學(xué)行為對高速列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性、乘客舒適性及環(huán)境友好性的影響。2、 全面提升我國高速列車基礎(chǔ)研究的能力和水平。在研究體系方面，以高速列車系統(tǒng)動力學(xué)理論為代表，從時速350公里拓展到時速500公里；在研究手段方面，構(gòu)建由仿真分析、地面試驗和線路試驗組成的綜合研究體系，建設(shè)支撐基礎(chǔ)研究、代表當(dāng)今世界先進(jìn)水平、1：1的試驗裝備與系統(tǒng)；在研究策略方面，將基礎(chǔ)研究方向與工程實踐需求緊密結(jié)合，互為支撐，相互推動，形成具有現(xiàn)實性與引領(lǐng)性的研究成果，同時在此創(chuàng)新研究的平臺上，促進(jìn)研究人員與工程技術(shù)人員的研究能力與實踐能力迅速成長，培養(yǎng)出一支年輕的、高水平的專業(yè)

4、研究團(tuán)隊。在研究成果方面，將在國內(nèi)外核心學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文200篇以上，其中sci、ei收錄論文120篇以上，有重要國際影響的論文50篇以上，出版著作3-5部，申請發(fā)明專利15項，申請軟件登記5項，培養(yǎng)博士后與博士生65名。3、 為地面高速運(yùn)載工具的技術(shù)發(fā)展提供有益的借鑒。本項目所開展的研究考慮了復(fù)雜車底和線路形貌的地面效應(yīng)、氣動擾動下的流固耦合列車動力學(xué)行為、車體結(jié)構(gòu)振動等，此類成果不僅拓展了空氣動力學(xué)的研究范圍，而且對于高速磁懸浮列車的氣動行為，及其車體結(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒和參考。高速輪軌黏著極限和超高速列車的理論速度極限，對未來真空管軌超高速交通方式的研究有積極的參考意義。(二) 五年預(yù)期目標(biāo)

5、第一年度：1. 基于可壓縮流動模型，針對非定常流動，開發(fā)高速列車空氣動力學(xué)數(shù)值仿真方法，包含：非定常雷諾平均模擬（urans）、脫體渦模擬（les）及大渦模擬（les）等方法。根據(jù)時速500公里試驗列車和試驗線路條件，確定試驗方案。2. 初步完成時速500公里條件下的含輪軌剛?cè)崮Ｐ偷能囕v軌道耦合大系統(tǒng)動力學(xué)數(shù)值模型、輪軌滾動接觸行為理論模型、輪軌黏著理論模型、黏著控制理論模型建模。完成時速500公里條件下的輪軌黏著試驗裝置、高能束流非均勻改性配套裝置的方案設(shè)計、加工和調(diào)試。3. 揭示非等波速鏈型結(jié)構(gòu)懸索波動傳播、波動分散和波動匯合的振動規(guī)律；提出考慮接觸網(wǎng)和受電弓空間運(yùn)動、系統(tǒng)的彈性作用和高速

6、氣流擾動的弓網(wǎng)耦合模型的建模和仿真方法；分析弓網(wǎng)電弧發(fā)展的規(guī)律以及每一階段的宏觀與微觀特性，建立描述弓網(wǎng)電弧的動態(tài)方程和弓網(wǎng)電弧時空分布模型，揭示弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生、發(fā)展及熄滅規(guī)律；4. 研究時速500公里條件下，利用系統(tǒng)動力學(xué)分析給出的邊界條件與線路試驗測量的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行列車部件振動分析方法，揭示氣動力非均勻分布對部件振動特征的影響機(jī)理，建立氣動力與車輛振動耦合作用下列車關(guān)鍵部件振動分析模型與方法。5. 在時速500公里條件下，建立列車、線路（軌道或橋梁）、弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)的流固耦合動力學(xué)模型，研究其準(zhǔn)確建模方法；研究高速列車動力載荷的等效簡化模型與方法。第二年度：1. 開展時速500公里實車線路試驗

7、，通過列車速度系列變化，測得列車阻力、升力和橫向擾動力與速度的關(guān)系曲線，分析在時速500公里條件下高速列車的氣動阻力特性， 探索耦合條件下氣動技術(shù)極限速度。2. 完善與輪軌接觸相關(guān)的理論模型并發(fā)展相應(yīng)的數(shù)值程序，進(jìn)行部分工況的輪軌接觸行為仿真；完成試驗構(gòu)件設(shè)計加工，調(diào)試試驗裝置，進(jìn)行部分工況黏著特性試驗，探索耦合條件下輪軌技術(shù)極限速度。3. 完善并建立接觸網(wǎng)的波動理論，提出準(zhǔn)確的接觸網(wǎng)波速表達(dá)形式；揭示弓網(wǎng)高速滑動和跳動接觸行為，以及快速變化的接觸網(wǎng)電壓與負(fù)荷等因素對電弧的影響規(guī)律，探索耦合條件下弓網(wǎng)技術(shù)極限速度。4. 研究列車、線路和弓網(wǎng)各子系統(tǒng)間的耦合關(guān)系及其表征方法；研究高速輪軌系統(tǒng)各種

8、不平順激擾的描述方法；研究車體結(jié)構(gòu)整體模態(tài)和局部模態(tài)特征及其頻率范圍；研究列車高速運(yùn)行時的氣動激擾對列車（含受電弓）作用關(guān)系。第三年度：1. 時速500公里條件下的列車整車氣動行為機(jī)理研究。通過時速500公里高速試驗列車線路試驗，結(jié)合動模型試驗和數(shù)值模擬結(jié)果，分析復(fù)雜地面效應(yīng)下高速列車表面分離渦流結(jié)構(gòu)、大長細(xì)比列車表面邊界層發(fā)展不穩(wěn)定性等關(guān)鍵空氣動力學(xué)特征。2. 完善數(shù)值仿真程序，全面開展時速500公里條件下的運(yùn)行狀態(tài)輪軌滾、滑、跳接觸行為和黏著特性的數(shù)值仿真。借助于車輛軌道耦合動力學(xué)模型，完成不同速度等級運(yùn)營條件下輪軌不平順度安全閾值。完成輪軌黏著理論模型試驗驗證和輪軌表面高能束流非均勻改性

9、試驗研究及黏著控制試驗。3. 分析不同波速利用率下的弓網(wǎng)振動特性，提出接觸網(wǎng)波速的最佳利用率和利用極限；辨識強(qiáng)氣流擾動條件下弓網(wǎng)耦合振動和運(yùn)動軌跡的演變規(guī)律；揭示高速運(yùn)行條件下強(qiáng)氣流對弓網(wǎng)電弧的影響規(guī)律。4. 研究內(nèi)部結(jié)構(gòu)與車體結(jié)構(gòu)諧振、共振及多耦合振動特性，給出避免乘坐舒適度惡化與避免整車出現(xiàn)亞諧波共振、超諧波共振、組合共振、內(nèi)共振等非線性現(xiàn)象的模態(tài)控制策略與方法。5. 研究列車高速運(yùn)行的輪對陀螺效應(yīng)，車輪、轉(zhuǎn)向架和車體慣量對運(yùn)動穩(wěn)定性的影響；掌握高速列車蛇行運(yùn)動失穩(wěn)特性（包括失穩(wěn)頻率和振動幅值）對運(yùn)行平穩(wěn)性和安全性的影響規(guī)律；分析高速鐵路地面和高架線路的軌道穩(wěn)定性特性。研究整車動力學(xué)響應(yīng)分

10、析方法。第四年度：1. 通過時速500公里試驗列車線路試驗和數(shù)值模擬，分析時速500公里條件下的列車非定常流動及其導(dǎo)致的列車表面壓力周期性變化，研究列車各車廂氣動升力和橫向力大小、方向隨速度增加的變化規(guī)律。2. 完善理論分析，得到500km/h條件下輪軌黏著理論和試驗曲線；全面開展時速500公里條件下的輪軌黏著試驗、輪軌接觸表面形貌高能束流非均勻改性試驗及黏著控制試驗的實驗結(jié)果分析。3. 確定多弓受流狀態(tài)下的接觸網(wǎng)波動特征，揭示復(fù)雜波動源下接觸網(wǎng)振動波的傳播規(guī)律和干涉機(jī)制；揭示接觸網(wǎng)不平順、弓網(wǎng)設(shè)計參數(shù)和弓網(wǎng)接觸副廓型對弓網(wǎng)耦合振動及接觸壓力的影響規(guī)律；揭示弓網(wǎng)動態(tài)接觸壓力、接觸副廓型、弓網(wǎng)接

11、觸斑形貌等對接觸電阻的影響規(guī)律；4. 將各種激擾在動力學(xué)模型中綜合考慮，發(fā)展流固耦合動力學(xué)分析模型，研究時速500公里條件下的高速列車整車動力學(xué)響應(yīng)特征。研究車體結(jié)構(gòu)在復(fù)雜氣動激擾力作用下局部結(jié)構(gòu)顫振、屈曲特性。第五年度：1. 綜合分析線路實驗、動模型實驗和數(shù)值仿真等研究結(jié)果，分析時速500公里條件下的列車氣動效應(yīng)特征，建立列車隨速度變化的氣動效應(yīng)綜合分析體系；建立氣動效應(yīng)對高速列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性、舒適性及環(huán)境友好性的影響關(guān)系。2. 完成高速輪軌接觸行為和高速輪軌黏著的數(shù)值仿真。深入進(jìn)行高速輪軌黏著試驗研究，得到考慮更多因素黏著規(guī)律曲線、動態(tài)安全/脫軌準(zhǔn)則。優(yōu)化高能束流非均勻改性輪軌表面接

12、觸形貌試驗研究和黏著控制方法。3. 分析受電弓雙向運(yùn)行的氣流差異、明線和隧道的氣流差異，以及不同氣流特征對弓網(wǎng)耦合振動和受流質(zhì)量的影響規(guī)律；掌握弓網(wǎng)帶弧受流的工作機(jī)理，研究電弧與接觸電阻之間的互相影響，進(jìn)而揭示高速條件下弓網(wǎng)受流質(zhì)量的影響因素及規(guī)律。4. 在時速500公里條件下，研究車體在各種激擾下的振動規(guī)律，揭示局部結(jié)構(gòu)顫振、屈曲發(fā)生條件和機(jī)理，探討可能造成的結(jié)構(gòu)破壞程度，給出車體結(jié)構(gòu)和局部結(jié)構(gòu)在顫振、共振及屈曲條件下的極限承載能力，建立車體振動與車體結(jié)構(gòu)自身安全性和乘坐舒適性的關(guān)系。5. 建立包括多種因素的列車平穩(wěn)性統(tǒng)一分析方法。應(yīng)用整車臺架試驗、風(fēng)洞模擬試驗和高速列車線路動力學(xué)試驗，進(jìn)行

13、理論模型的試驗驗證。預(yù)測高速條件下整車流固耦合動力學(xué)響應(yīng)、輪軌作用力及脫軌可能性。探索多因素耦合作用對高速列車脫軌安全性的影響規(guī)律。6. 探索大系統(tǒng)耦合條件下高速列車的技術(shù)極限速度三、研究方案(一) 學(xué)術(shù)思路時速500公里高速列車關(guān)鍵力學(xué)問題的研究是高速列車基礎(chǔ)研究的發(fā)展和延續(xù)，同時充分體現(xiàn)科學(xué)問題研究的一般規(guī)律，結(jié)合高速鐵路發(fā)展這一現(xiàn)在和將來的重大需求為背景，借助于我國自主研發(fā)即將下線的時速500公里試驗列車，認(rèn)識在高速特別是超高速運(yùn)行條件下列車動態(tài)特性和關(guān)鍵力學(xué)行為，在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)高速列車力學(xué)行為規(guī)律，并揭示超高速輪軌、弓網(wǎng)等相互作用機(jī)制，最終確定輪軌黏著、受電弓受流的波速利用率、蛇行失穩(wěn)

14、速度等所逼近的極限、氣動阻力隨列車速度的變化規(guī)律以及以保證列車動力學(xué)性能和安全性的軌道和接觸網(wǎng)不平順限制、氣動升力、橫向力和傾覆力矩的限制，從此來認(rèn)識高速列車在正常運(yùn)行條件下的理論速度極限。揭示這些關(guān)鍵力學(xué)行為和特征對高速列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性、舒適性及周圍環(huán)境的影響。研究獲得的成果不僅將填補(bǔ)世界在超高速速度段的高速列車的基本動力學(xué)行為和力學(xué)特征，極大地提高人們對高速列車的認(rèn)知能力；同時將豐富高速列車流固耦合動力學(xué)、輪軌關(guān)系、弓網(wǎng)關(guān)系及列車空氣動力學(xué)的理論體系，完善現(xiàn)有高速列車的設(shè)計和計算方法，并為高速鐵路的相關(guān)技術(shù)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定提供支持。具體學(xué)術(shù)思路見圖1。認(rèn)識行為 振動 噪聲行為探索高

15、速列車安全運(yùn)行的技術(shù)速度極限500km/h高速試驗列車大型試驗平臺200 300 400（已知） 500（安全、平穩(wěn)、友好？） （km/h）豐富動力學(xué)、輪軌和弓網(wǎng)理論體系改進(jìn)和完善高速列車分析設(shè)計方法支撐高速列車安全規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的制定作用關(guān)系 環(huán)境的 耦合的 變量的揭示規(guī)律 輪軌 弓網(wǎng) 流固確定極限 黏著 受流 失穩(wěn)圖1 本項目研究的學(xué)術(shù)思路(二) 技術(shù)路線1、基于兩個前提。一是深入研究國外在高速試驗和基礎(chǔ)研究領(lǐng)域所取得的系列成果，學(xué)習(xí)借鑒國外先進(jìn)研究方法和手段，博采眾長，為我所用；二是進(jìn)一步深化研究在京津城際高速鐵路、武廣和鄭西客運(yùn)專線進(jìn)行的科學(xué)試驗所取得的突破性研究成果，鞏固基礎(chǔ)，乘勢而上。

16、2、借助三個條件。一是依托時速500公里高速試驗列車和近300公里長的試驗線路；二是國內(nèi)一流的實驗條件和裝備；三是國內(nèi)一流的科研機(jī)構(gòu)、高等院校和創(chuàng)新研究團(tuán)隊。3、把握三個關(guān)鍵。按照科學(xué)研究的基本規(guī)律，一是充分認(rèn)識并準(zhǔn)確描述時速500公里的高速列車運(yùn)動行為與特征；二是運(yùn)用現(xiàn)代相關(guān)理論與方法，研究凝練內(nèi)在規(guī)律；三是探索在近似極限速度下的高速列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性、舒適性和對環(huán)境的影響。4、形成閉環(huán)研究體系。堅持基礎(chǔ)理論研究和科學(xué)試驗研究相結(jié)合，將“試驗-建模-驗證-仿真-再試驗-模型修正-再驗證-再仿真”作為本項目的核心技術(shù)路線；將考慮復(fù)雜耦合作用的整車動力學(xué)行為與列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性、舒適性和

17、周圍環(huán)境的影響關(guān)系研究作為本項目的研究重點(diǎn)。本項目的具體技術(shù)路線見圖2。高速氣動效應(yīng)弓網(wǎng)關(guān)系列車流固耦合關(guān)系結(jié)構(gòu)振動特性 500km/h試驗列車 室內(nèi)高速試驗臺架 動模型試驗裝置列車、受電弓剛?cè)峄旌戏蔷€性模型輪軌滾動接觸模型弓網(wǎng)滑動模型列車氣動理論模型氣動力接觸力輪軌力輪軌關(guān)系試驗裝置理論模型和數(shù)值仿真動力學(xué)特征耦合動力學(xué)行為對列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性、舒適性和技術(shù)速度極限的影響圖2 本項目研究的技術(shù)路線(三) 創(chuàng)新點(diǎn)與特色1. 特色在項目設(shè)置特色方面，本項目緊密結(jié)合高速鐵路發(fā)展的國家戰(zhàn)略需求，以引領(lǐng)高速列車基礎(chǔ)研究為目標(biāo)，研究高速列車在時速500公里條件下力學(xué)行為特征以及這些力學(xué)行為特征對高速

18、列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性和舒適性的影響，針對其中的關(guān)鍵力學(xué)問題，開展基礎(chǔ)研究。項目針對性強(qiáng)，研究目的明確，而且基礎(chǔ)研究和應(yīng)用十分緊密。在技術(shù)路線特色方面，本項目依托具有實際運(yùn)營環(huán)境的500km/h高速試驗列車創(chuàng)新研究平臺，長期開展在時速500公里條件下的線路試驗，以獲得不同速度域的高速列車力學(xué)行為規(guī)律為依據(jù)，發(fā)展在時速500公里條件下的相關(guān)力學(xué)模型，采用基礎(chǔ)理論研究和科學(xué)試驗研究相結(jié)合，進(jìn)行模型的驗證。從而走一條“試驗-建模-驗證-仿真-再試驗-模型修正-再驗證-再仿真”的閉環(huán)技術(shù)路線，通過試驗和仿真研究的相互支撐，系統(tǒng)研究高速列車關(guān)鍵力學(xué)問題的內(nèi)在規(guī)律及其對列車運(yùn)行安全性的影響機(jī)制。在研究內(nèi)容

19、特色方面，本項目針對列車在時速500公里條件下運(yùn)動行為的研究，認(rèn)識現(xiàn)象、總結(jié)規(guī)律、探索極限。研究的具體內(nèi)容緊扣影響高速列車運(yùn)行性能、安全性和舒適性的關(guān)鍵力學(xué)問題，包括涉及支撐、導(dǎo)向和牽引制動的輪軌接觸力學(xué)問題；涉及受流的弓網(wǎng)耦合振動；涉及運(yùn)行阻力、列車運(yùn)動姿態(tài)及流固耦合等氣動效應(yīng)；涉及振動、噪音和舒適性的結(jié)構(gòu)振動等基礎(chǔ)力學(xué)問題。研究核心是認(rèn)識時速500公里條件下列車特殊流場、線路激擾和系統(tǒng)流固耦合振動行為、揭示其產(chǎn)生機(jī)理和規(guī)律，最終建立符合時速500公里條件下列車運(yùn)行特征的理論模型及對列車運(yùn)行安全性的影響關(guān)系。2. 創(chuàng)新點(diǎn)(1)以實際運(yùn)營環(huán)境下的500km/h高速試驗列車為平臺，結(jié)合數(shù)值仿真和

20、動模型實驗，開展時速500公里條件下的耦合動力學(xué)行為研究，獲得不同速度域內(nèi)的高速列車的運(yùn)動行為、特性和規(guī)律及對列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性和舒適性的影響機(jī)制。(2)考慮具有復(fù)雜形狀的車底與線路之間地面氣動效應(yīng)的列車空氣動力學(xué)，獲得在時速500公里條件下列車氣動力特性隨速度的變化規(guī)律及氣動安全邊界。(3)首次在時速500公里條件下考慮車體、構(gòu)架和輪對運(yùn)動慣量和輪對陀螺效應(yīng)對高速列車非線性穩(wěn)定性的影響機(jī)理和規(guī)律，提出保證運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性的車體-構(gòu)架、構(gòu)架-輪對約束條件。(4)建立時速500公里條件下輪軌滾動接觸行為理論模型和黏著計算方法，獲得輪軌黏著趨近極限，探索輪軌關(guān)系對列車運(yùn)行安全的影響。(5)首

21、次開展高能束流對材料表面非均勻改性處理表面形貌對黏著系數(shù)穩(wěn)定性和輪軌噪聲的影響，探索提高列車運(yùn)行安全性的控制方法。(6)建立時速500公里條件下，考慮高速滑動效應(yīng)、弓網(wǎng)接觸區(qū)空間形貌、機(jī)電特征以及高速氣流作用的弓網(wǎng)理論分析模型及弓網(wǎng)安全利用極限。(7)建立時速500公里條件下的列車流固耦合振動特性，車體振動對列車運(yùn)行安全可靠性的影響。(8)以列車流固耦合行為為特征，研究列車從頭車到尾車的振動傳遞，研究尾車在尾端開放條件的車輛運(yùn)動行為。研究線路特別是高架線路振動波傳遞對列車振動的影響，揭示各種影響因素耦合作用的高速列車安全運(yùn)行速度限值。(9)以耦合振動行為為衡量指標(biāo)，探索大系統(tǒng)耦合條件下高速列車

22、的技術(shù)極限速度。(四) 取得重大突破的可行性分析1、取得如下重大突破：(1) 揭示時速500公里條件下，具有復(fù)雜形狀的車底與線路之間地面氣動效應(yīng)的列車整車及關(guān)鍵部件氣流的流動規(guī)律。(2) 獲得時速500公里條件下的高速列車氣動力特性和作用規(guī)律及氣動效應(yīng)安全閾值。(3) 時速500公里條件下的列車高頻剛?cè)狁詈洗笙到y(tǒng)非線性模型建立和數(shù)值方法及耦合力學(xué)行為對列車運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性的影響規(guī)律。(4) 時速500公里條件下的列車輪軌滾動接觸行為分析模型和數(shù)值分析方法及輪軌安全理論速度極限。(5) 時速500公里條件下的輪軌黏著關(guān)系曲線的建立，以及通過輪軌接觸表面形貌的激光改性，有效地控制或提高輪軌黏著效

23、果，提高列車運(yùn)行安全速度極限。(6) 在時速500公里條件下，考慮了氣流擾動的滑動-跳動弓網(wǎng)接觸耦合振動模型及數(shù)值方法，探索弓網(wǎng)利用極限。(7) 在時速500公里條件下，探索車體等復(fù)雜系統(tǒng)在惡劣環(huán)境激擾下振動規(guī)律及對列車運(yùn)行安全可靠性的影響。(8) 在時速500公里條件下，揭示車輛零部件慣性對列車臨界失穩(wěn)速度的影響規(guī)律。(9) 預(yù)測大系統(tǒng)耦合條件下高速列車的技術(shù)極限速度。2、可行性分析加快發(fā)展高速鐵路是國家重大戰(zhàn)略需求，在我國迅速地從高速鐵路技術(shù)大國向強(qiáng)國邁進(jìn)的戰(zhàn)略機(jī)遇期，我們不僅要進(jìn)一步豐富發(fā)展高速列車基礎(chǔ)研究體系，支撐高速列車技術(shù)的可持續(xù)研發(fā)，還必須在前瞻性、引領(lǐng)性的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域具有權(quán)威性

24、的話語權(quán)，搶占世界高速列車技術(shù)的制高點(diǎn)。本項目就是基于上述需求與目標(biāo)提出的，其研究實現(xiàn)的可行性主要依據(jù)以下四個方面：（1）2004年以來，我國高速列車技術(shù)發(fā)展取得重大進(jìn)展，以京津城際高速鐵路、武廣客運(yùn)專線和鄭西客運(yùn)專線等近4000公里、運(yùn)營時速達(dá)到350公里的高速鐵路順利開通運(yùn)營為標(biāo)志，中國鐵路已全面系統(tǒng)地掌握了當(dāng)今世界最先進(jìn)的高速鐵路技術(shù)，并在國內(nèi)構(gòu)建了系統(tǒng)完整的設(shè)計制造體系和產(chǎn)業(yè)鏈，關(guān)鍵技術(shù)與主要配套技術(shù)全面實現(xiàn)國產(chǎn)化。（2）在京津城際高速鐵路、武廣客運(yùn)專線和鄭西客運(yùn)專線開展了大量高速列車科學(xué)試驗，在350公里條件下重點(diǎn)研究了耦合條件下的高速列車系統(tǒng)動力學(xué)行為，以及地面效應(yīng)、隧道效應(yīng)、振動

25、與模態(tài)噪音關(guān)系等，獲取了大量的試驗數(shù)據(jù)，驗證了試驗方法，保證了350公里條件下高速列車運(yùn)行的安全性、平穩(wěn)性和舒適性，取得了一些階段性研究成果。（3）在前期積累的基礎(chǔ)上，依托國家重大工程和產(chǎn)業(yè)拉動，高速列車基礎(chǔ)研究體系與平臺建設(shè)得到了迅速發(fā)展；特別是在國家科技重大支撐項目的支持下，通過科技部與鐵道部共同簽署的中國高速列車自主創(chuàng)新聯(lián)合行動計劃，高速列車基礎(chǔ)研究能力得到迅速提升，一方面，陸續(xù)建成了一批國家級的實驗室，如軌道交通國家實驗室（籌）、高速列車系統(tǒng)集成技術(shù)國家工程實驗室、牽引傳動國家重點(diǎn)實驗室等，并在此平臺上構(gòu)建了代表當(dāng)今世界先進(jìn)水平的試驗系統(tǒng)，如時速600公里高速列車滾振試驗臺、1：1的鋁

26、合金車體模態(tài)和疲勞分析試驗臺、1：1高速轉(zhuǎn)向架動力參數(shù)響應(yīng)分析試驗臺、模型比例1：10、試驗速度500公里的動模型實驗系統(tǒng)等。另一方面，在產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的創(chuàng)新聯(lián)盟推動下，國內(nèi)一流科研機(jī)構(gòu)與團(tuán)隊已深度參與高速列車自主創(chuàng)新；特別是在鐵道部與中國科學(xué)院共建的“先進(jìn)軌道交通力學(xué)研究中心”平臺上，匯聚了包括空氣動力學(xué)、車輛工程、流固耦合力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、鐵路工程、滾動接觸力學(xué)、車輛動力學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域的專家團(tuán)隊和產(chǎn)業(yè)資源。（4）鐵道部正在研發(fā)的時速500公里高速試驗列車將于2011年上半年下線，京滬線近300公里長的試驗段也將同步建成。鐵道部將提供這一世界一流的試驗平臺，為開展相關(guān)基礎(chǔ)研究服務(wù)。上述條件為

27、實現(xiàn)時速500公里條件下基礎(chǔ)力學(xué)問題的研究目標(biāo)奠定了堅實的基礎(chǔ)。(五) 組織方式本項目將以“中國科學(xué)院先進(jìn)軌道交通力學(xué)研究中心”為主體，并聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)高校與研究機(jī)構(gòu)，形成創(chuàng)新研究的聯(lián)合體，完成項目規(guī)定的各項研究任務(wù)。2009年5月，在中國科學(xué)院力學(xué)所成立了“中國科學(xué)院先進(jìn)軌道交通力學(xué)研究中心”，該中心由中國科學(xué)院與鐵道部聯(lián)合共建，重點(diǎn)開展軌道交通力學(xué)的戰(zhàn)略規(guī)劃、基礎(chǔ)理論、引領(lǐng)性技術(shù)研究，為我國引領(lǐng)世界軌道交通技術(shù)發(fā)展提供戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性與前瞻性支撐。在“中國科學(xué)院先進(jìn)軌道交通力學(xué)研究中心”平臺上，匯聚了國內(nèi)一流的科研資源和產(chǎn)業(yè)資源，其中包括：中國科學(xué)院力學(xué)所、中國鐵道科學(xué)研究院、高速列車系統(tǒng)集成

28、技術(shù)國家工程實驗室、軌道交通國家實驗室（籌）、西南交通大學(xué)、北京交通大學(xué)，以及南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司、長春軌道客車股份有限公司、唐山軌道客車有限責(zé)任公司等高速列車核心骨干企業(yè)。同時，鐵道部對“中國科學(xué)院先進(jìn)軌道交通力學(xué)研究中心”給予了全力支持，將為開展相關(guān)研究工作提供高速列車、高速線路及行業(yè)部門協(xié)調(diào)等必要的研究環(huán)境與條件。對于本項目的管理模式，將按照科技部與鐵道部共同簽署的中國高速列車自主創(chuàng)新聯(lián)合行動計劃的總體要求和973項目管理的有關(guān)規(guī)定，建立統(tǒng)一管理、高效協(xié)作的運(yùn)作機(jī)制，實行項目首席科學(xué)家負(fù)責(zé)制和課題責(zé)任專家逐級負(fù)責(zé)制，嚴(yán)格按照研究目標(biāo)和計劃節(jié)點(diǎn)倒逼進(jìn)度，確保項目研究工作順利進(jìn)行

29、。本項目是國家的重大戰(zhàn)略需求，其先進(jìn)性、引領(lǐng)性研究成果是占據(jù)未來高速列車市場競爭絕對優(yōu)勢的基礎(chǔ)，因此該項目的成果與知識產(chǎn)權(quán)將統(tǒng)一組織安排。四、年度計劃年度研究內(nèi)容預(yù)期目標(biāo)第一年6. 分析由氣流-車-輪-軌-弓網(wǎng)-線-環(huán)境等多狀態(tài)參數(shù)耦合作用情況下高速列車關(guān)鍵力學(xué)問題研究的理論、實驗與技術(shù)策略。7. 基于可壓縮流動模型，針對非定常流動，開發(fā)高速列車空氣動力學(xué)數(shù)值仿真方法，包含：非定常雷諾平均模擬（urans）、脫體渦模擬（les）及大渦模擬（les）等方法。根據(jù)時速500公里試驗列車和試驗線路條件，確定試驗方案。8. 初步完成時速500公里條件下的含輪軌剛?cè)崮Ｐ偷能囕v軌道耦合大系統(tǒng)動力學(xué)數(shù)值模型

30、、輪軌滾動接觸行為理論模型、輪軌黏著理論模型、黏著控制理論模型建模。完成時速500公里條件下的輪軌黏著試驗裝置、高能束流非均勻改性配套裝置的方案設(shè)計、加工和調(diào)試。9. 揭示非等波速鏈型結(jié)構(gòu)懸索波動傳播、波動分散和波動匯合的振動規(guī)律；提出考慮接觸網(wǎng)和受電弓空間運(yùn)動、系統(tǒng)的彈性作用和高速氣流擾動的弓網(wǎng)耦合模型的建模和仿真方法；分析弓網(wǎng)電弧發(fā)展的規(guī)律以及每一階段的宏觀與微觀特性，建立描述弓網(wǎng)電弧的動態(tài)方程和弓網(wǎng)電弧時空分布模型，揭示弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生、發(fā)展及熄滅規(guī)律；10. 研究時速500公里條件下，利用系統(tǒng)動力學(xué)分析給出的邊界條件與線路試驗測量的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行列車部件振動分析方法，揭示氣動力非均勻分布對部

31、件振動特征的影響機(jī)理，建立氣動力與車輛振動耦合作用下列車關(guān)鍵部件振動分析模型與方法。11. 在時速500公里條件下，建立列車、線路（軌道或橋梁）、弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)的流固耦合動力學(xué)模型，研究其準(zhǔn)確建模方法；研究高速列車動力載荷的等效簡化模型與方法。1. 形成國內(nèi)高速列車速度提升主要制約因素研究分析報告，高速列車既有成果的總結(jié)分析報告；形成以了解輪軌、弓網(wǎng)、流固三個耦合激勵源為主線，表征這三方面耦合振動特性為目標(biāo)的實驗任務(wù)，并通過實驗來驗證圍繞這三個因素建立的高速列車極速極限速度理論模型。2. 完成依托京滬先導(dǎo)段科學(xué)試驗研究的試驗方案；形成求解高速列車技術(shù)極限速度前期研究的理論分析研究報告。3. 建立

32、能夠精確模擬高速列車底部流動的數(shù)值方法。分析單車和兩車交會壓力波形成機(jī)理，提煉壓力波影響要素。掌握高速列車多尺度幾何特性對氣動阻力的影響機(jī)理。4. 建立時速500公里條件下的含輪軌剛?cè)崮Ｐ偷能囕v軌道耦合大系統(tǒng)動力學(xué)數(shù)值模型、輪軌滾動接觸行為理論模型、輪軌黏著理論模型、黏著控制理論模型建模。5. 建立列車、線路（軌道或橋梁）、弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)的流固耦合動力學(xué)模型，研究其準(zhǔn)確建模方法；研究高速列車動力載荷的等效簡化模型與方法。6. 建立描述弓網(wǎng)電弧的動態(tài)方程和弓網(wǎng)電弧時空分布模型，揭示弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生、發(fā)展及熄滅規(guī)律。7. 發(fā)表學(xué)術(shù)論文10篇；培養(yǎng)碩士研究生10名。第二年5. 開展時速500公里實車線路試

33、驗，通過列車速度系列變化，測得列車阻力、升力和橫向擾動力與速度的關(guān)系曲線，分析在時速500公里條件下高速列車的氣動阻力特性， 探索耦合條件下氣動技術(shù)極限速度。6. 完善與輪軌接觸相關(guān)的理論模型并發(fā)展相應(yīng)的數(shù)值程序，進(jìn)行部分工況的輪軌接觸行為仿真；完成試驗構(gòu)件設(shè)計加工，調(diào)試試驗裝置，進(jìn)行部分工況黏著特性試驗，探索耦合條件下輪軌技術(shù)極限速度。7. 完善并建立接觸網(wǎng)的波動理論，提出準(zhǔn)確的接觸網(wǎng)波速表達(dá)形式；揭示弓網(wǎng)高速滑動和跳動接觸行為，以及快速變化的接觸網(wǎng)電壓與負(fù)荷等因素對電弧的影響規(guī)律，探索耦合條件下弓網(wǎng)技術(shù)極限速度。8. 研究列車、線路和弓網(wǎng)各子系統(tǒng)間的耦合關(guān)系及其表征方法；研究高速輪軌系統(tǒng)各

34、種不平順激擾的描述方法；研究車體結(jié)構(gòu)整體模態(tài)和局部模態(tài)特征及其頻率范圍；研究列車高速運(yùn)行時的氣動激擾對列車（含受電弓）作用關(guān)系。1. 通過實驗確定不同速度條件下列車運(yùn)行阻力與速度的關(guān)系，揭示氣動升力和側(cè)向力大小、方向隨速度增加的變化規(guī)律。通過實驗得到氣動載荷、輪軌振動與輪軌作用力、弓網(wǎng)振動在100-500公里范圍內(nèi)的特征。2. 建立數(shù)值模擬復(fù)雜地面效應(yīng)下高速列車底部流動的精確數(shù)值算法。確定高速列車隧道壓力波的主要影響因素，歸納出阻塞比、舒適性三者之間的關(guān)系。建立復(fù)雜氣流激擾下氣動載荷與車體振動及局部振動特性的關(guān)系。3. 完成時速500公里條件下， 考慮滾動/滑動、接觸/分離特征的輪軌三維彈性滾

35、動接觸模型。初步確定接觸疲勞對輪軌材料表層組織結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。完成高能束流非均勻改性裝置改造，使其能夠加工處理時速500公里列車輪對。4. 構(gòu)建輪對、構(gòu)架振動規(guī)律和頻譜特征。初步提出列車、線路等各子系統(tǒng)間的耦合關(guān)系及其表征方法，高速輪軌系統(tǒng)各種不平順激擾的描述方法。5. 掌握計及車體振動時弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)的隨機(jī)振動特性;確定弓網(wǎng)系統(tǒng)的高速氣流特征;探明快速變化的接觸網(wǎng)電壓與負(fù)荷等因素對電弧的影響; 形成受電弓風(fēng)洞試驗報告。6. 提出求解高速列車技術(shù)極限速度的試驗手段和理論方法；完成京滬先導(dǎo)段科學(xué)試驗關(guān)鍵參數(shù)與指標(biāo)極值分布及規(guī)律研究分析報告；細(xì)化為驗證高速列車技術(shù)極限速度理論模型需從黏著、輪軌、氣動

36、、弓網(wǎng)關(guān)系等方面需要進(jìn)一步進(jìn)行的試驗研究。7. 發(fā)表學(xué)術(shù)論文20篇；培養(yǎng)碩士研究生10名，博士生5名。第三年6. 時速500公里條件下的列車整車氣動行為機(jī)理研究。通過時速500公里高速試驗列車線路試驗，結(jié)合動模型試驗和數(shù)值模擬結(jié)果，分析復(fù)雜地面效應(yīng)下高速列車表面分離渦流結(jié)構(gòu)、大長細(xì)比列車表面邊界層發(fā)展不穩(wěn)定性等關(guān)鍵空氣動力學(xué)特征。7. 完善數(shù)值仿真程序，全面開展時速500公里條件下的運(yùn)行狀態(tài)輪軌滾、滑、跳接觸行為和黏著特性的數(shù)值仿真。借助于車輛軌道耦合動力學(xué)模型，完成不同速度等級運(yùn)營條件下輪軌不平順度安全閾值。完成輪軌黏著理論模型試驗驗證和輪軌表面高能束流非均勻改性試驗研究及黏著控制試驗。8.

37、 分析不同波速利用率下的弓網(wǎng)振動特性，提出接觸網(wǎng)波速的最佳利用率和利用極限；辨識強(qiáng)氣流擾動條件下弓網(wǎng)耦合振動和運(yùn)動軌跡的演變規(guī)律；揭示高速運(yùn)行條件下強(qiáng)氣流對弓網(wǎng)電弧的影響規(guī)律。9. 研究內(nèi)部結(jié)構(gòu)與車體結(jié)構(gòu)諧振、共振及多耦合振動特性，給出避免乘坐舒適度惡化與避免整車出現(xiàn)亞諧波共振、超諧波共振、組合共振、內(nèi)共振等非線性現(xiàn)象的模態(tài)控制策略與方法。10. 研究列車高速運(yùn)行的輪對陀螺效應(yīng)，車輪、轉(zhuǎn)向架和車體慣量對運(yùn)動穩(wěn)定性的影響；掌握高速列車蛇行運(yùn)動失穩(wěn)特性（包括失穩(wěn)頻率和振動幅值）對運(yùn)行平穩(wěn)性和安全性的影響規(guī)律；分析高速鐵路地面和高架線路的軌道穩(wěn)定性特性。研究整車動力學(xué)響應(yīng)分析方法。1. 剖析實驗數(shù)據(jù)

38、，解耦氣動載荷、輪軌振動與輪軌作用力、弓網(wǎng)振動在不同速度段對整車振動的影響。2. 掌握高速列車與地面復(fù)雜形貌下的氣流的流動現(xiàn)象以及渦流狀態(tài)，揭示單車通過隧道和隧道內(nèi)交會等情形下，不同時刻隧道內(nèi)氣動參數(shù)的分布與變化規(guī)律及壓縮波與膨脹波的傳播。3. 建立強(qiáng)側(cè)風(fēng)隧道交匯等強(qiáng)氣流激擾下氣動載荷與車體振動及局部振動特性的關(guān)系；掌握高速列車蛇行運(yùn)動失穩(wěn)特性（包括失穩(wěn)頻率和振動幅值）對運(yùn)行平穩(wěn)性和安全性的影響規(guī)律；4. 發(fā)現(xiàn)超高速運(yùn)行條件下輪軌接觸點(diǎn)軌跡/斑和輪軌蠕滑率/力的變化規(guī)律。輪軌表面粗糙度和輪軌材料的表面性能對輪軌黏著特性的影響規(guī)律曲線。單節(jié)車多輪對黏著同步控制策略和制動極限值。通過輪軌表面高能束

39、流非均勻改性1:1臺架試驗研究，為線路實驗提供依據(jù)。5. 完成基于輪軌振動與載荷演化得到的高速列車運(yùn)行穩(wěn)定性及運(yùn)行平穩(wěn)性研究報告。完善利用輪軌激勵邊界條件與實車測量振動數(shù)據(jù)高速列車進(jìn)行運(yùn)行模態(tài)分析的方法；給出運(yùn)行速度對列車動力響應(yīng)的影響規(guī)律。6. 通過實驗中的弓網(wǎng)振動特性，揭示接觸網(wǎng)波速的最佳利用率和利用極限；確定接觸網(wǎng)不平順、車體振動對弓網(wǎng)隨機(jī)振動特性的影響規(guī)律；給出合理的弓網(wǎng)流固耦合方式和加載方法；辨識非線性吊弦對弓網(wǎng)耦合振動特性的影響比重；建立強(qiáng)氣流場下電弧動態(tài)模型，揭示弓網(wǎng)電弧在不同氣流場下的形貌特征及等離子狀態(tài)；形成受電弓氣動特性試驗研究報告；形成接觸網(wǎng)振動及波動傳播試驗研究報告。7

40、. 建立單一因素（氣動、輪軌、弓網(wǎng)）決定的高速列車極限速度模型。構(gòu)建各因素耦合條件下，滿足系統(tǒng)整體性能的高速列車技術(shù)極限速度研究模型。8. 發(fā)表學(xué)術(shù)論文30篇；培養(yǎng)碩士研究生20名，博士生10名。第四年5. 通過時速500公里試驗列車線路試驗和數(shù)值模擬，分析時速500公里條件下的列車非定常流動及其導(dǎo)致的列車表面壓力周期性變化，研究列車各車廂氣動升力和橫向力大小、方向隨速度增加的變化規(guī)律。6. 完善理論分析，得到500km/h條件下輪軌黏著理論和試驗曲線；全面開展時速500公里條件下的輪軌黏著試驗、輪軌接觸表面形貌高能束流非均勻改性試驗及黏著控制試驗的實驗結(jié)果分析。7. 確定多弓受流狀態(tài)下的接觸

41、網(wǎng)波動特征，揭示復(fù)雜波動源下接觸網(wǎng)振動波的傳播規(guī)律和干涉機(jī)制；揭示接觸網(wǎng)不平順、弓網(wǎng)設(shè)計參數(shù)和弓網(wǎng)接觸副廓型對弓網(wǎng)耦合振動及接觸壓力的影響規(guī)律；揭示弓網(wǎng)動態(tài)接觸壓力、接觸副廓型、弓網(wǎng)接觸斑形貌等對接觸電阻的影響規(guī)律；8. 將各種激擾在動力學(xué)模型中綜合考慮，發(fā)展流固耦合動力學(xué)分析模型，研究時速500公里條件下的高速列車整車動力學(xué)響應(yīng)特征。研究車體結(jié)構(gòu)在復(fù)雜氣動激擾力作用下局部結(jié)構(gòu)顫振、屈曲特性。1. 建立氣動載荷、輪軌振動與輪軌作用力、弓網(wǎng)振動對整車平穩(wěn)性及舒適性的影響的理論模型。2. 揭示列車各車廂氣動升力和橫向力大小、方向隨速度增加的變化規(guī)律。確定單列車通過隧道和隧道內(nèi)兩列車交會等情形下，不

42、同列車和隧道參數(shù)對流場結(jié)構(gòu)與氣動參數(shù)的分布和變化規(guī)律的影響。3. 獲取輪軌氣動等多種激擾下車體結(jié)構(gòu)振動及局部振動規(guī)律，闡明各激擾對振動的影響范圍；揭示時速500公里條件下的高速列車整車動力學(xué)演化規(guī)律。 4. 確定出時速500km條件下輪軌粗糙度安全容限，輪軌模態(tài)和噪聲輻射規(guī)律；超高速運(yùn)行條件下，輪軌黏著特性曲線；三維條件下輪軌黏著特性曲線理論和試驗結(jié)果對比；多節(jié)車黏著控制和安全制動極限初步策略；探索輪式列車的速度極限。5. 揭示復(fù)雜波動源下接觸網(wǎng)振動波的傳播規(guī)律和干涉機(jī)制；確定軌道-車體-弓網(wǎng)系統(tǒng)間振動傳遞規(guī)律；揭示弓網(wǎng)設(shè)計參數(shù)、接觸副廓型對弓網(wǎng)接觸特性的影響規(guī)律；找出弓網(wǎng)接觸壓力、接觸副廓型

43、、弓網(wǎng)接觸斑形貌與接觸電阻的關(guān)系；形成弓網(wǎng)受流性能線路試驗研究報告6. 提出在耦合條件下基于輪軌、弓網(wǎng)、流固三大耦合關(guān)系的高速列車技術(shù)極限速度的分析報告及理論模型。7. 發(fā)表學(xué)術(shù)論文50篇；培養(yǎng)碩士研究生30名，博士研究生15名；申請專利1-2項。第五年7. 綜合分析線路實驗、動模型實驗和數(shù)值仿真等研究結(jié)果，分析時速500公里條件下的列車氣動效應(yīng)特征，建立列車隨速度變化的氣動效應(yīng)綜合分析體系；建立氣動效應(yīng)對高速列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性、舒適性及環(huán)境友好性的影響關(guān)系。8. 完成高速輪軌接觸行為和高速輪軌黏著的數(shù)值仿真。深入進(jìn)行高速輪軌黏著試驗研究，得到考慮更多因素黏著規(guī)律曲線、動態(tài)安全/脫軌準(zhǔn)則。

44、優(yōu)化高能束流非均勻改性輪軌表面接觸形貌試驗研究和黏著控制方法。9. 分析受電弓雙向運(yùn)行的氣流差異、明線和隧道的氣流差異，以及不同氣流特征對弓網(wǎng)耦合振動和受流質(zhì)量的影響規(guī)律；掌握弓網(wǎng)帶弧受流的工作機(jī)理，研究電弧與接觸電阻之間的互相影響，進(jìn)而揭示高速條件下弓網(wǎng)受流質(zhì)量的影響因素及規(guī)律。10. 在時速500公里條件下，研究車體在各種激擾下的振動規(guī)律，揭示局部結(jié)構(gòu)顫振、屈曲發(fā)生條件和機(jī)理，探討可能造成的結(jié)構(gòu)破壞程度，給出車體結(jié)構(gòu)和局部結(jié)構(gòu)在顫振、共振及屈曲條件下的極限承載能力，建立車體振動與車體結(jié)構(gòu)自身安全性和乘坐舒適性的關(guān)系。11. 建立包括多種因素的列車平穩(wěn)性統(tǒng)一分析方法。應(yīng)用整車臺架試驗、風(fēng)洞模

45、擬試驗和高速列車線路動力學(xué)試驗，進(jìn)行理論模型的試驗驗證。預(yù)測高速條件下整車流固耦合動力學(xué)響應(yīng)、輪軌作用力及脫軌可能性。探索多因素耦合作用對高速列車脫軌安全性的影響規(guī)律。12. 探索大系統(tǒng)耦合條件下高速列車的技術(shù)極限速度1. 建立高速列車從時速100公里到500公里這一范圍內(nèi)氣動載荷、輪軌振動與輪軌作用力、以及弓網(wǎng)振動特性的數(shù)據(jù)庫，建立圍繞時速500公里列車所得到的綜合實驗報告、論文數(shù)據(jù)庫。完善在氣動載荷、輪軌振動與輪軌作用力、弓網(wǎng)振動耦合作用下的技術(shù)極限速度模型。2. 建立氣動效應(yīng)對高速列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性、舒適性及環(huán)境友好性的影響評估關(guān)系。數(shù)值研究探尋高速列車氣動阻力隨速度的突變點(diǎn)，研究和

46、辨識高速列車的氣動阻力分布，為高速列車減阻設(shè)計提供依據(jù)。揭示列車速度、阻塞比、列車長度、隧道長度、線間距、車內(nèi)外壓差、氣動里等參數(shù)之間的影響關(guān)系及主次關(guān)系。3. 揭示局部結(jié)構(gòu)顫振、屈曲發(fā)生條件和機(jī)理；給出車體結(jié)構(gòu)和局部結(jié)構(gòu)在顫振、共振及屈曲條件下的極限承載能力；建立車體振動與車體結(jié)構(gòu)自身安全性和乘坐舒適性的關(guān)系；揭示氣動激擾下的高速列車臨界速度。4. 揭示輪軌材料表面特性對輪軌高速滾動接觸行為影響，建立高速輪軌黏著理論；完成高速輪軌黏著試驗，輪軌界面激光毛化增黏研究，輪軌黏著最佳控制研究并形成相應(yīng)報告；5. 形成考慮多種因素的列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性、舒適性的分析方法；揭示車體在各種激擾下的振動

47、規(guī)律，部結(jié)構(gòu)疲勞發(fā)生條件和機(jī)理；完善相關(guān)列車動力響應(yīng)與穩(wěn)定性分析模型與方法。6. 識別不同氣流特征對弓網(wǎng)接觸特性及受流質(zhì)量的影響規(guī)律；掌握弓網(wǎng)帶弧受流的工作機(jī)理，進(jìn)而揭示高速條件下弓網(wǎng)受流質(zhì)量的影響因素及規(guī)律；完成高速滑動、跳動下電弧本體及周邊環(huán)境溫度場計算；揭示各種影響因素對弓網(wǎng)受流質(zhì)量的影響規(guī)律。7. 形成高速列車技術(shù)極限速度的分析方法和安全邊界設(shè)定原則，形成技術(shù)規(guī)范；完成耦合條件下高速列車技術(shù)極限手段的研究成果報告。8. 發(fā)表學(xué)術(shù)論文70篇；培養(yǎng)碩士研究生10名，博士研究生10名；申請專利3-5項。一、研究內(nèi)容(一) 擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題在最高時速500公里條件下開展運(yùn)營環(huán)境下的基礎(chǔ)理論

48、研究是當(dāng)今世界高速鐵路界尚未深入探索的領(lǐng)域，一些傳統(tǒng)認(rèn)識的力學(xué)現(xiàn)象與行為，在此條件下會有怎樣的變化和特性，它的近似極限狀態(tài)又是如何？這些力學(xué)現(xiàn)象和行為對列車運(yùn)行的安全性、平穩(wěn)性與舒適性影響又是如何？是各高速列車技術(shù)發(fā)達(dá)國家普遍關(guān)注的重大基礎(chǔ)命題，也是這一領(lǐng)域研究的制高點(diǎn)。本項目將在高速列車再創(chuàng)新取得系列成果基礎(chǔ)上，依托時速500公里高速試驗列車這一世界一流的試驗平臺，組織國內(nèi)高水平的研究單位和優(yōu)勢企業(yè)，開展時速500公里條件下的高速列車關(guān)鍵力學(xué)問題研究，揭示其影響因素和規(guī)律，探索高速列車系統(tǒng)運(yùn)行的臨界點(diǎn)和極限值，從更高的視野來認(rèn)識和延拓高速列車基礎(chǔ)力學(xué)問題在不同速度域的一般規(guī)律及其對高速列車運(yùn)

49、行安全性、平穩(wěn)性和舒適性的影響；提升我國高速列車的基礎(chǔ)理論水平，搶占制高點(diǎn)，成為高速列車技術(shù)的領(lǐng)跑者，同時為我國更高運(yùn)營速度高速列車的研制提供理論基礎(chǔ)儲備。為此，本項目擬圍繞以下四個基礎(chǔ)科學(xué)問題開展研究：1、 時速500公里條件下高速列車流固耦合關(guān)系列車在貼近地面的高湍流度環(huán)境中運(yùn)行，受到地面效應(yīng)的明顯影響。尤其是列車高速運(yùn)行時，車體底部與軌道間流場結(jié)構(gòu)隨速度增加產(chǎn)生非定常演變，導(dǎo)致地面效應(yīng)極為復(fù)雜，而復(fù)雜地面效應(yīng)誘導(dǎo)的強(qiáng)氣動激擾對車體結(jié)構(gòu)、弓網(wǎng)、整車動力學(xué)等均會產(chǎn)生很大影響，進(jìn)而危害列車運(yùn)行安全性和乘坐舒適性。高速列車本身外型特征是長細(xì)比很大，且運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，尤其在雨雪沙以及強(qiáng)側(cè)風(fēng)等惡劣氣候

50、環(huán)境下，使得高速列車表面湍流邊界層的發(fā)展極不穩(wěn)定，導(dǎo)致高速列車氣動力特性和列車擺動現(xiàn)象發(fā)生明顯變化，進(jìn)而影響列車運(yùn)行安全性。隨著運(yùn)行速度的提高，高速列車氣動噪聲急劇增大，成為高速列車主要噪聲源，影響鐵路周圍環(huán)境和車內(nèi)乘客乘坐舒適性。因此，采用數(shù)值仿真、動模型試驗、實車線路試驗等方法，研究時速500公里時復(fù)雜氣動效應(yīng)下的高速列車流場、氣動力及尾車擺動等隨列車速度變化的特性和規(guī)律，以及高速列車氣動效應(yīng)與運(yùn)行安全性的關(guān)系等亟待解決的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題，研究成果可為高速列車運(yùn)行安全性、乘坐舒適性和節(jié)能環(huán)保性提供堅實的理論保障。隨著列車運(yùn)行速度的提高，氣流擾動增強(qiáng)，聲振耦合關(guān)系更加復(fù)雜，不僅對高速列車的非

51、線性運(yùn)動穩(wěn)定性帶來更加復(fù)雜的影響，同時還有對高速列車運(yùn)行姿態(tài)和乘坐舒適性的影響。研究時速500公里條件下，不同氣流激擾形式作用的車輛結(jié)構(gòu)振動規(guī)律，探明結(jié)構(gòu)模態(tài)與振動、動應(yīng)力及噪聲之間的映射關(guān)系，是車體振動研究新的復(fù)雜命題。探索各種復(fù)雜因素對高速列車運(yùn)行安全性的影響規(guī)律，準(zhǔn)確預(yù)測高速列車運(yùn)動姿態(tài)，為提高列車安全性和乘坐舒適性提供理論依據(jù)。2、 時速500公里條件下高速列車輪軌關(guān)系列車在高速運(yùn)行時，輪軌的低黏著和強(qiáng)激擾振動是輪軌滾動的基本特征。車輪滾動伴以頻繁的滑動和跳動現(xiàn)象是對傳統(tǒng)輪軌滾動接觸的理論挑戰(zhàn)。過去假設(shè)輪對運(yùn)動時輪軌永遠(yuǎn)處于接觸狀態(tài)的擬靜態(tài)輪對脫軌安全準(zhǔn)則不再適用，需要研究輪對超高速運(yùn)

52、行條件下，各種潛在不規(guī)則因素激發(fā)輪軌頻繁分離/接觸行為和動態(tài)脫軌安全判據(jù)；研究輪軌頻繁分離/接觸導(dǎo)致列車整體黏著效果下降而引起的列車牽引力和制動力下降，輪軌擦傷以及安全問題；研究掌握輪軌接觸斑表面形貌對輪軌滾滑接觸的影響規(guī)律，探明第三介質(zhì)對輪軌黏著與接觸振動的影響，確定時速500公里條件下的輪軌間的黏著特性和黏著極限；高速列車高速運(yùn)行，線路不平順激擾加劇，氣流擾動增強(qiáng)，聲振耦合關(guān)系復(fù)雜，研究輪對周長、無砟軌道板長、鋼軌定長、橋跨長度等的周期激擾對列車振動的影響，研究更高速度條件下高速列車輪軌噪聲的產(chǎn)生和傳播特性，是基于輪軌動力學(xué)分析列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性和舒適性的基礎(chǔ)。3、 時速500公里條件

53、下高速列車弓網(wǎng)關(guān)系隨著最高運(yùn)行時速的不斷提升，受電弓運(yùn)行速度逼近接觸網(wǎng)的波動速度，接觸網(wǎng)波動使得弓網(wǎng)耦合振動發(fā)生突變，弓網(wǎng)滑動向滑跳運(yùn)動轉(zhuǎn)化，弓網(wǎng)電噪聲明顯增大，以至于傳統(tǒng)的弓網(wǎng)理論無法表征其新的運(yùn)動行為。研究不同類型接觸網(wǎng)的波動特征和弓網(wǎng)耦合振動行為，探究弓網(wǎng)在高速滑動和跳動接觸行為下弓網(wǎng)電接觸特性和燃弧規(guī)律，是解決高速受流問題的基礎(chǔ)，也是亟待研究的科學(xué)問題。4、 探索大系統(tǒng)耦合條件下高速列車技術(shù)極限速度高速列車技術(shù)極限速度是衡量高速列車發(fā)展水平的重要標(biāo)志。耦合條件下氣動技術(shù)極限速度、耦合條件下輪軌技術(shù)極限速度以及耦合條件下弓網(wǎng)技術(shù)極限速度任何一個都不代表整車實際極限速度。為此，需要在以上三

54、個因素決定的技術(shù)極限速度基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步的理論和實驗，考慮三方面的優(yōu)化匹配，探索大系統(tǒng)耦合條件下高速列車技術(shù)極限速度。(二) 主要研究內(nèi)容圍繞本項目的研究目標(biāo)，依托運(yùn)營環(huán)境下的500km/h高速試驗列車試驗平臺，在凝煉影響高速列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性和舒適性的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題的基礎(chǔ)上，開展如下研究：1. 時速500公里條件下高速列車氣動效應(yīng)研究（1）復(fù)雜地面效應(yīng)下高速列車底部流場特性及演變機(jī)理研究復(fù)雜地面效應(yīng)下高速列車的底部流場十分復(fù)雜。首先，其底部存在轉(zhuǎn)向架等外形復(fù)雜的部件，導(dǎo)致氣流發(fā)生復(fù)雜的分離流動，甚至產(chǎn)生非定常效應(yīng)；其次，車輪前行時的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動對流經(jīng)列車底部的空氣產(chǎn)生強(qiáng)誘導(dǎo)作用，加劇了底

55、部流場里的旋渦流動；再者，在地面復(fù)雜形貌的影響下，高速列車底部與地面的氣動相互作用，對底部氣流產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣動激擾。三種效應(yīng)疊加在一起，使得空氣流經(jīng)列車底部時產(chǎn)生復(fù)雜的旋渦流動，且隨列車速度的提高流場變化更為劇烈。本課題試驗研究通過時速500公里高速試驗列車實車線路試驗，測取底板、轉(zhuǎn)向架區(qū)域、裙板、部分線路等處的壓力分布。數(shù)值研究建立能夠精確模擬高速列車底部流動的數(shù)值方法，對復(fù)雜地面效應(yīng)下高速列車底部流動開展非定常數(shù)值模擬，捕捉底部旋渦的產(chǎn)生與演變特性，研究不同車速下列車底部旋轉(zhuǎn)與非旋轉(zhuǎn)部件對底部流動的干擾機(jī)理。綜合分析試驗結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果，掌握高速列車與地面復(fù)雜形貌下的氣流的流動現(xiàn)象以及渦流

56、狀態(tài)，探明地面效應(yīng)作用下的特殊渦流的形成機(jī)制，揭示車體底部與軌道間流場結(jié)構(gòu)隨速度增加產(chǎn)生的非定常演變規(guī)律，探討其對列車氣動力特性的非定常影響。（2）高速列車氣動力分布特性研究時速500公里高速列車的氣動力特性研究對高速列車節(jié)能減阻設(shè)計、進(jìn)一步提高列車運(yùn)行速度有重要意義，也具有一定挑戰(zhàn)。一方面，高速列車的氣動外形比較復(fù)雜，其本身具有長、寬、高尺度的銳變特征，又存在轉(zhuǎn)向架、弓網(wǎng)等外形復(fù)雜的部件。另一方面，高速列車行駛在地面高湍流度的大氣環(huán)境內(nèi)，受到各種干擾，如地面軌道和建筑物的干擾、列車不同部件間的相互干擾等。這些特點(diǎn)使得高速列車的氣動力變化的有其特殊的規(guī)律和機(jī)理。本課題數(shù)值模擬方面，建立多尺度復(fù)

57、雜幾何外形的高質(zhì)量網(wǎng)格生成方法和精確數(shù)值模擬方法，研究高速列車的多尺度特性對壓差阻力和摩擦阻力的影響機(jī)理。對不同車速下高速列車的氣動阻力開展參數(shù)研究，確定列車氣動阻力與速度的關(guān)系。試驗研究方面，在動模型試驗平臺研究時速500公里條件下列車氣動力的試驗方法，測得不同速度條件下高速列車模型的氣動力力。通過線路實車試驗測得不同速度條件下時速500公里高速試驗列車的總阻力?？偨Y(jié)試驗和數(shù)值模擬結(jié)果，確定時速500公里條件下的列車運(yùn)行阻力與速度的關(guān)系，研究高速列車全速度域的氣動阻力特性，探索氣動升力和側(cè)向力大小、方向隨速度增加的變化規(guī)律，為在時速500公里條件下減小列車氣動阻力、控制氣動升力、側(cè)向力和氣動

58、載荷，進(jìn)而保證高速列車安全運(yùn)行提供理論支撐。（3）高速列車尾部復(fù)雜流場特性和產(chǎn)生機(jī)理研究高速列車是運(yùn)行在地面軌道上的、外形細(xì)長的運(yùn)動物體，氣流沿列車表面的發(fā)展受到列車表面凸起物（如受電弓）、表面不平順（如車間間隙、轉(zhuǎn)向架區(qū)域等）、線路旁設(shè)備（如車站、建筑物等）、地面條件等的影響，到列車尾部流場和旋渦發(fā)展的非常復(fù)雜，流場非線性發(fā)展和旋渦脫落產(chǎn)生非定常氣動升力、側(cè)向力和氣動干擾力等，造成列車尾擺等現(xiàn)象，嚴(yán)重時影響列車運(yùn)行穩(wěn)定和安全。本課題在高速列車數(shù)值仿真、時速500公里高速試驗列車線路試驗、動模型試驗研究的基礎(chǔ)上，研究高速列車外型大長細(xì)比特征下的高速氣流在高速列車表面湍流邊界層的發(fā)展機(jī)理，探討高速列車表面湍