趙懷瑞,李 萍,楊富超

（1.華東交通大學(xué)軌道交通學(xué)院現(xiàn)代軌道車輛研究所，江西 南昌 330013；

2.河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校機(jī)電工程系，河南 新鄉(xiāng) 453002）

高速列車頭型數(shù)值設(shè)計(jì)優(yōu)化研究現(xiàn)狀與展望

趙懷瑞1,李 萍1,楊富超2

（1.華東交通大學(xué)軌道交通學(xué)院現(xiàn)代軌道車輛研究所，江西 南昌 330013；

2.河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校機(jī)電工程系，河南 新鄉(xiāng) 453002）

基于試驗(yàn)的傳統(tǒng)列車頭型設(shè)計(jì)方法通過(guò)對(duì)比從有限設(shè)計(jì)方案中尋優(yōu)，并非真正意義上的優(yōu)化。聯(lián)合CFD仿真和優(yōu)化算法進(jìn)行列車頭型設(shè)計(jì)優(yōu)化，是列車設(shè)計(jì)研究的一個(gè)新方向。從設(shè)計(jì)方法、參數(shù)化建模以及計(jì)算策略等4個(gè)方面綜述了國(guó)內(nèi)外高速列車外形數(shù)值設(shè)計(jì)優(yōu)化的研究現(xiàn)狀，指出高速列車頭型設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，即向與建筑物耦合設(shè)計(jì)、譜系化設(shè)計(jì)、多學(xué)科設(shè)計(jì)、全壽命周期設(shè)計(jì)及隨機(jī)設(shè)計(jì)5個(gè)方向發(fā)展。我國(guó)列車運(yùn)行速度不斷提高，需要設(shè)計(jì)運(yùn)行安全、高效與環(huán)境友好的高速列車頭型，發(fā)展能廣泛應(yīng)用、高效可靠的列車頭型設(shè)計(jì)理論與方法，建立高速列車頭型設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系。

高速列車；頭型；設(shè)計(jì)優(yōu)化；空氣動(dòng)力學(xué)

隨著列車不斷提速，列車空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題諸如：空氣阻力、隧道微氣壓波和橫風(fēng)安全性等也日益突出［1］。雖然這些問(wèn)題與諸多因素有關(guān)，但從車輛氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)分析，這些問(wèn)題都與列車頭部形狀有密切的關(guān)系［2-3］。因此，如何設(shè)計(jì)綜合氣動(dòng)性能優(yōu)良的列車頭型，從而有效地降低空氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象對(duì)列車運(yùn)行和周圍環(huán)境的影響，是高速列車設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要研究課題。

列車空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題非常復(fù)雜，加之理論與計(jì)算資源的不足，試驗(yàn)成為人們最初進(jìn)行列車頭型與氣動(dòng)設(shè)計(jì)的唯一選擇。在鐵路技術(shù)一向發(fā)達(dá)的日本與德國(guó)，研究人員開展了廣泛的外形試驗(yàn)研究［4-8］，并在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上對(duì)列車外形進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化［9-11］。我國(guó)在鐵路提速及高速動(dòng)車組上線以來(lái)，也進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究［12-13］，并設(shè)計(jì)出了一系列氣動(dòng)性能良好的列車外形［14-15］。基于試驗(yàn)的外形設(shè)計(jì)與優(yōu)化，都需要事先由研究人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出系列方案，然后通過(guò)對(duì)比從有限方案中尋優(yōu)，因此只是方案對(duì)比，而非真正嚴(yán)格意義上優(yōu)化。隨著計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們開始嘗試著把CFD和優(yōu)化算法聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行高速列車頭型設(shè)計(jì)優(yōu)化。自1997年Iida［16］研究報(bào)道以來(lái)，高速列車頭型數(shù)值設(shè)計(jì)優(yōu)化已成為高速列車研究領(lǐng)域中的一個(gè)前沿課題。

文章對(duì)國(guó)內(nèi)外高速列車頭型數(shù)值設(shè)計(jì)優(yōu)化的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并結(jié)合現(xiàn)代高速列車設(shè)計(jì)的發(fā)展方向?qū)ξ磥?lái)研究趨勢(shì)進(jìn)行展望，以期為我國(guó)高速列車頭型設(shè)計(jì)提供建議和參考。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 設(shè)計(jì)方法

聯(lián)合CFD與優(yōu)化算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)外形設(shè)計(jì)優(yōu)化的一般方法與流程如圖1所示。首先，選擇外形設(shè)計(jì)優(yōu)化參數(shù)，并進(jìn)行參數(shù)化建模。然后，對(duì)列車周圍的流場(chǎng)進(jìn)行CFD計(jì)算，并判斷目標(biāo)函數(shù)值是否收斂，如果收斂其中：Z()

圖1 一般設(shè)計(jì)流程Fig.1 General design flow

x為輪廓上點(diǎn)的坐標(biāo)；xp，zp是起始點(diǎn)坐標(biāo)；L，H為列車長(zhǎng)度和高度；A1，A2為頭型鈍性相關(guān)的參數(shù)。

Kwon［19］采用“試驗(yàn)設(shè)計(jì)+近似模型”的策略對(duì)列車外形進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，如圖2所示。利用D-optimal（D-最優(yōu)）試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法獲得設(shè)計(jì)空間中具有代表性的樣本點(diǎn)xi（i=1，2，……，n），并利用CFD仿真獲得響應(yīng)值yi（i=1，2，……，n），然后利用樣本點(diǎn)對(duì)｛（xi，yi）i=1，2，……，n｝構(gòu)建近似模型（RSM）來(lái)代替實(shí)際的CFD仿真計(jì)算，從而大大降低了列車頭型設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)計(jì)算資源的需求，提高了設(shè)計(jì)效率。

列車頭型數(shù)值設(shè)計(jì)優(yōu)化會(huì)牽涉到不同的專業(yè)軟件或?qū)W科。為將所有的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)組織到一個(gè)統(tǒng)一、有機(jī)和邏輯的框架中，瑞典龐巴迪公司［20］在modelFron?tier平臺(tái)下進(jìn)行Zefiro列車外形設(shè)計(jì)優(yōu)化，并最終獲得氣動(dòng)性能良好的系列外形。VYTLA［21］在Matlab環(huán)境下搭建了多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化（MDO）平臺(tái)，并對(duì)高速列車外形進(jìn)行MDO。

1.2 參數(shù)化建模方法

對(duì)于高速列車頭型的數(shù)值優(yōu)化，如何準(zhǔn)確地定義模型設(shè)計(jì)空間，且當(dāng)設(shè)計(jì)參數(shù)變化時(shí)自動(dòng)、快速地建立、更改模型，是研究者首先關(guān)注的問(wèn)題。

實(shí)際工程中，模型的建立與快速更改是通過(guò)參數(shù)化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。Iida［16］建立了二維頭型的2參數(shù)表達(dá)式（2），并通過(guò)修改形狀控制參數(shù)a1、a來(lái)獲得不同的頭型方案。則設(shè)計(jì)結(jié)束；否則，更新設(shè)計(jì)參數(shù)，重新上述過(guò)程，直至收斂。

空氣動(dòng)力學(xué)為非線性問(wèn)題，且列車編組運(yùn)行，其流場(chǎng)計(jì)算與優(yōu)化需要巨大的計(jì)算資源，如何降低對(duì)計(jì)算資源的需求則成為列車外形數(shù)值設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。Bel?lenoue等［17］根據(jù)過(guò)隧道時(shí)氣動(dòng)性能的一維特性，給出了列車頭型設(shè)計(jì)優(yōu)化兩步法：首先，采用軸對(duì)稱模型獲得列車過(guò)隧道時(shí)氣動(dòng)性能（微氣壓波）良好的頭型橫截面輪廓；然后，以氣動(dòng)阻力與橫風(fēng)安全性為目標(biāo)函數(shù)對(duì)三維頭型（以上述軸對(duì)稱輪廓為基礎(chǔ)）進(jìn)行優(yōu)化。Ku［18］等根據(jù)上述“兩步法設(shè)計(jì)”思想，在獲得性能良好的橫截面輪廓后，利用車輛模型函數(shù)（1）建立了高速列車外形的三維模型并進(jìn)行優(yōu)化，以降低列車過(guò)隧道時(shí)微氣壓波效應(yīng)與氣動(dòng)阻力。

圖2 基于RSM的外形設(shè)計(jì)流程Fig.2 Flow chart of nose shape design based on RSM

其中：A()

x為x處縱剖面面積；x為到頭部的距離；a頭車長(zhǎng)度；b頭車高度；a1，a2為形狀控制參數(shù)。

Lorriaux［22］和 Vytla［23］等將二維列車頭型簡(jiǎn)化為由5個(gè)參數(shù)控制的兩段橢圓?。▓D3），其中a、b為長(zhǎng)度參數(shù)，c為鼻部高度參數(shù)，θt、θb頭型角度控制參數(shù)。

為獲得更一般的設(shè)計(jì)空間，在IIDA模型基礎(chǔ)上，KWON［24-25］引入?？怂?亨內(nèi)（Hicks-Henne）外形函數(shù)（4），結(jié)果比較表明利用上述設(shè)計(jì)空間所獲得頭型優(yōu)化方案比IIDA方案氣動(dòng)性能更好。

圖3 列車頭型5參數(shù)示意圖Fig.3 Geometric parameters of train nose

其中：Y(x)為輪廓線x處的縱坐標(biāo)，Ybase（x）為基礎(chǔ)形狀x處的縱坐標(biāo)，F(xiàn)i為形狀函數(shù)，Wi為權(quán)重系數(shù)。

我國(guó)在列車外形參數(shù)化建模方面也做了不少工作。徐趁肖［26］應(yīng)用近代復(fù)變?nèi)遣逯倒残斡成淅碚摵头ň€迭代收斂方法及三次樣條插值對(duì)流線化三維高速列車頭型曲面的統(tǒng)一數(shù)學(xué)描述，實(shí)現(xiàn)了高速列車頭型給定工程精度要求下的數(shù)學(xué)建模。梁習(xí)鋒，吳學(xué)忠［27］采用NURBs曲線生成控制型線，使用相關(guān)數(shù)算法自動(dòng)生成Coons曲面，并編制了具有良好動(dòng)態(tài)修改功能的高速列車外形設(shè)計(jì)軟件?？姳s［28］，王文濤［29］在Visual C++編程環(huán)境下，分別以AutoCAD 2000、SolidWork平臺(tái)，開發(fā)了高速列車頭型參數(shù)化CAD系統(tǒng)。

上述研究都是基于幾何參數(shù)化的，即當(dāng)設(shè)計(jì)參數(shù)變化時(shí)，先修改幾何模型，再對(duì)幾何模型進(jìn)行相應(yīng)地網(wǎng)格劃分，所以效率不是很高。為此，S Krajnovic［22］，SUN ZhenXu［30］借助網(wǎng)格修改軟件SCULPTOR建立了列車外形的網(wǎng)格參數(shù)化模型，當(dāng)設(shè)計(jì)參數(shù)變化時(shí)，直接對(duì)網(wǎng)格模型進(jìn)行局部修改或重畫，從而顯著地提高了設(shè)計(jì)效率。網(wǎng)格參數(shù)化是基于網(wǎng)格的局部修改與重畫，它的缺點(diǎn)是當(dāng)設(shè)計(jì)變量變化范圍比較大時(shí)，可能導(dǎo)致網(wǎng)格質(zhì)量變差或者劃分失敗。

1.3 計(jì)算策略

國(guó)內(nèi)外目前常用做法是采用近似模型（metamodel，也稱代理模型）來(lái)代替大量的CFD仿真計(jì)算，以降低了列車頭型設(shè)計(jì)對(duì)計(jì)算資源的需求。近似模型是利用已知點(diǎn)的信息來(lái)預(yù)測(cè)未知點(diǎn)響應(yīng)值的一類關(guān)系式模型，因此在構(gòu)建近似模型時(shí)，合理選取這些“已知點(diǎn)”就顯得至關(guān)重要了。研究人員大都采用“試驗(yàn)設(shè)計(jì)+近似模型”的設(shè)計(jì)策略，利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)選取設(shè)計(jì)空間中具有代表性的樣本點(diǎn)，然后通過(guò)CFD仿真獲得相應(yīng)的響應(yīng)值來(lái)構(gòu)造近似模型。

Krajnovic［25］利用面心立方設(shè)計(jì)（faced centered composite design）產(chǎn)生二次響應(yīng)面近似模型的樣本點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)隨著設(shè)計(jì)變量的增加，樣本點(diǎn)的數(shù)目也迅速增加。

Kwon［26］利用D-最優(yōu)（D-optimal）試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法獲得樣本點(diǎn)，并構(gòu)造二次響應(yīng)面近似模型來(lái)對(duì)列車外形進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明，與其它試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法相比，D-最優(yōu)更適合設(shè)計(jì)空間不規(guī)則的優(yōu)化問(wèn)題，需要樣本點(diǎn)數(shù)也少。

為獲得設(shè)計(jì)空間中分布均勻性較好的樣本點(diǎn)，Vytla［23］采用拉丁超立方采樣（latin hypercube sampling）方法產(chǎn)生樣本點(diǎn)，并通過(guò)構(gòu)造Kriging近似模型對(duì)高速列車頭型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，以減低列車的氣動(dòng)阻力與噪聲。

Lee［31］聯(lián)合歐文隨機(jī)正交矩陣（Owen’s random orthogonal arrays）與D-最優(yōu)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生樣本點(diǎn)，即先用歐文正交矩陣產(chǎn)生樣本點(diǎn)，然后利用D-最優(yōu)設(shè)計(jì)從中選出一些樣本點(diǎn)來(lái)構(gòu)建近似模型。

不同的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法、近似模型及其組合，各有優(yōu)缺點(diǎn)［32］。截止目前，它們?cè)诟咚倭熊囃庑卧O(shè)計(jì)與優(yōu)化中的適應(yīng)性對(duì)比研究少有報(bào)道。Lee［33］對(duì)支持向量機(jī)（support vector machine，SVM）和Kriging近似模型的對(duì)比研究表明，與基于梯度的優(yōu)化算法一起使用時(shí)SVM效率更高（表1）。

優(yōu)化算法對(duì)任何優(yōu)化問(wèn)題都非常重要，它的選擇不僅關(guān)系到設(shè)計(jì)效率的高低，甚至還會(huì)因無(wú)法獲得全局最優(yōu)解而導(dǎo)致失敗。采用近似模型的優(yōu)化問(wèn)題變得簡(jiǎn)單了許多，首先一些近似模型一旦選定，就可以根據(jù)近似模型的類型選擇合適的優(yōu)化算法，如采用二次響應(yīng)面模型，則可以選擇二次優(yōu)化算法；其次，近似模型極大地提高了設(shè)計(jì)效率，效率不高的全局探索優(yōu)化算法（如遺傳算法，模擬退火算法等）的使用已不再是一個(gè)問(wèn)題。鑒于上述原因，本文對(duì)于優(yōu)化算法的問(wèn)題不再做過(guò)多闡述。

1.4 典型優(yōu)化結(jié)果分析

Ku［18］以Iida［16］優(yōu)化結(jié)果為基礎(chǔ)形狀，對(duì)列車頭型進(jìn)行優(yōu)化以降低列車過(guò)隧道時(shí)的微氣壓波效應(yīng)。與Iida［16］和Lee［33］的結(jié)果相比（圖4），Ku優(yōu)化方案在鼻型前端橫截面增加非常迅速，而在中部附近截面增長(zhǎng)率則為負(fù)值，這種橫截面變化率由正向負(fù)突然變化使車體周圍氣流產(chǎn)生很強(qiáng)的膨脹效應(yīng)，且鼻型長(zhǎng)度較短時(shí)，會(huì)把一個(gè)大壓縮波分成兩個(gè)小壓縮波，從而更有利于降低隧道微氣亞波。因此，Ku方案與拋物線頭型相比能使微氣亞波最大值降低18%～25%，相比Iida方案的11%～18%有明顯提高。同時(shí)Ku［33］頭型長(zhǎng)度與最優(yōu)頭型關(guān)系的研究表明，不同頭型長(zhǎng)度下的優(yōu)化方案也不同：當(dāng)頭型較短時(shí)，鼻型前端非常鈍，截面面積遞減較快，但隨著長(zhǎng)度增加變化逐漸平緩。

圖4 優(yōu)化方案對(duì)比Fig.4 Comparison of different optimization schemes

Vytla［31］對(duì)時(shí)速350高速列車進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，以減低列車的氣動(dòng)阻力與噪聲。通過(guò)加權(quán)系數(shù)法，獲得了不同權(quán)重系數(shù)下列車外形優(yōu)化方案，如表2所示。從表2可以看出，隨著噪音權(quán)重的增加，優(yōu)化后的外形氣動(dòng)噪音降低，而阻力值增加，所以降低氣動(dòng)噪音與阻力是相矛盾的；反映在最終外形方案上，隨著噪音權(quán)重的增加，頭部變長(zhǎng)、變鈍。

表1 SVM與Kriging近似模型對(duì)比Tab.1 Comparison between SVM and Kriging model

表2 不同權(quán)重系數(shù)下優(yōu)化變量值Tab.2 Optimize solution under different weights factors

在我國(guó)新一代高速列車外形設(shè)計(jì)中，Sun Zhenxu等［34］利用數(shù)值方法對(duì)CRH3頭型進(jìn)行優(yōu)化，新頭型比原始方案氣動(dòng)阻力降低1.85%。Yao ShuanBao等［35］對(duì)CRH2頭型進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化，在改善局部流場(chǎng)的同時(shí)，與原始方案相比，新頭型頭車非粘性阻力降低60.03%，尾車非粘性阻力降低47.89%。

2 發(fā)展趨勢(shì)與方向

國(guó)內(nèi)外研究人員在列車頭型數(shù)值設(shè)計(jì)與優(yōu)化方面做了大量的研究工作，以“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)+近似模型”為基礎(chǔ)的體系已初步形成，但仍有大量的工作有待進(jìn)一步地研究。

2.1 與建筑物耦合設(shè)計(jì)

列車過(guò)隧道或橋梁時(shí)所產(chǎn)生的氣動(dòng)效應(yīng)是列車與路旁建筑物相互作用的結(jié)果。目前工程中列車與建筑物設(shè)計(jì)都是分開進(jìn)行的，沒有充分考慮它們之間的相互作用［36］。通過(guò)對(duì)線路實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，田紅旗、高廣軍［14］提出將列車和隧道耦合起來(lái)進(jìn)行隧道斷面和列車外形設(shè)計(jì)，是減小隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的有效途徑，但進(jìn)一步的研究還未有報(bào)道。隨著運(yùn)行速度的不斷提高，列車與路旁建筑物（如，隧道）的耦合效應(yīng)加劇，其氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題將成為制約高速列車可持續(xù)發(fā)展的主要因素。因此，研究列車與路旁建筑物的耦合設(shè)計(jì)理論與方法具有重要的理論意義與工程應(yīng)用價(jià)值。

2.2 譜系化設(shè)計(jì)

列車運(yùn)行的線路工況是多變的，不同線路工況對(duì)列車氣動(dòng)性能的要求也不盡相同，如明線運(yùn)行要求氣動(dòng)阻力盡可能地小，過(guò)隧道時(shí)則希望隧道內(nèi)氣壓變化與隧道氣動(dòng)噪聲盡可能地小。不同的氣動(dòng)性能要求則會(huì)導(dǎo)致不同或截然相反的列車外形方案［37-38］。我國(guó)“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃（2010—2015）［39］中提出了列車譜系化的研究方向，這其中的一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容就是列車頭型的譜系化設(shè)計(jì)。

2.3 多學(xué)科設(shè)計(jì)

目前幾乎所有研究都局限在單一氣動(dòng)學(xué)科內(nèi)，沒有考慮列車空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等學(xué)科間的相互影響。隨著列車運(yùn)行速度地不斷提高，學(xué)科間的相互影響或耦合也越來(lái)越強(qiáng)，已到了不容忽視的程度［40］，因此多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化（multidisciplinary design optimization，MDO）也是大勢(shì)所趨。

2.4 全壽命周期設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)產(chǎn)品不僅是設(shè)計(jì)產(chǎn)品的功能和結(jié)構(gòu)，而且要設(shè)計(jì)產(chǎn)品的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、經(jīng)銷、運(yùn)行、使用、維修保養(yǎng)、直到回收再用處置的全壽命周期過(guò)程。全壽命周期設(shè)計(jì)意味著，在設(shè)計(jì)階段就是考慮到產(chǎn)品壽命歷程的所有環(huán)節(jié)，以求產(chǎn)品全壽命周期所有相關(guān)因素在產(chǎn)品設(shè)計(jì)分階段就能得到綜合規(guī)劃和優(yōu)化［41］。

根據(jù)全壽命周期設(shè)計(jì)思想，列車頭型設(shè)計(jì)不僅涉及空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等傳統(tǒng)學(xué)科，還包括制造性、維修性和可靠性等因素。因此，未來(lái)的列車頭型設(shè)計(jì)不僅要包含傳統(tǒng)列車空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等學(xué)科，還要進(jìn)一步探討面向制造性、維修性和可靠性等的頭型分析設(shè)計(jì)方法，在全壽命周期上進(jìn)行列車頭型設(shè)計(jì)。

2.5 隨機(jī)設(shè)計(jì)

在高速列車設(shè)計(jì)、制造以及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中存在許多不確定因素，如，材料屬性的不確定性，制造與裝配誤差引起的外形參數(shù)的不確定性，運(yùn)行環(huán)境的不確定型等等。為了獲得穩(wěn)健性的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，降低風(fēng)險(xiǎn)，在的設(shè)計(jì)與優(yōu)化中應(yīng)該考慮這些不確定性因素，因此需要研究頭型隨機(jī)設(shè)計(jì)問(wèn)題。

3 我國(guó)高速列車頭型設(shè)計(jì)研發(fā)思考

3.1 我國(guó)高速列車頭型設(shè)計(jì)態(tài)勢(shì)

總體上，我國(guó)高速列車頭型設(shè)計(jì)面臨著嚴(yán)峻的形式。隨著列車不斷提速，急劇增加的氣動(dòng)阻力直接影響了列車的運(yùn)行效率，而氣動(dòng)噪聲的增加不僅嚴(yán)重影響旅客的乘坐舒適性，也給鐵路沿線的生態(tài)環(huán)境帶了來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。武廣客運(yùn)專線運(yùn)行初期某高速列車過(guò)隧道時(shí)，車體側(cè)壁產(chǎn)生較大的彈性變形并伴有爆破聲，嚴(yán)重地影響了旅客乘坐舒適性和列車運(yùn)行安全。學(xué)科耦合現(xiàn)象加劇，京津線運(yùn)行初期，在車輛振動(dòng)［42］與會(huì)車壓力波的耦合作用，某高速列車發(fā)生了多起設(shè)備艙支座（架）開裂，甚至出現(xiàn)頭車轉(zhuǎn)向架裙板丟失的現(xiàn)象。類似上述的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，影響了高速列車運(yùn)行效率和安全性，直接影響了乘客的乘坐舒適性，也給鐵路沿線生態(tài)環(huán)境帶來(lái)挑戰(zhàn)，迫切需要從理論及技術(shù)層面上予以解決。

3.2 我國(guó)高速列車頭型設(shè)計(jì)研發(fā)需求

我國(guó)高速列車頭型設(shè)計(jì)研發(fā)應(yīng)該為解決高速列車運(yùn)行中出現(xiàn)的各種空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題提供理論與技術(shù)支持。這就需要研發(fā)能滿足我國(guó)高速鐵路運(yùn)輸要求、空氣動(dòng)力學(xué)綜合性能良好的列車頭型。針對(duì)因運(yùn)行速度增加而產(chǎn)生的學(xué)科耦合效應(yīng)，需要研究學(xué)科間的耦合關(guān)系，發(fā)展高速列車頭型MDO設(shè)計(jì)理論與方法，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速列車頭型MDO設(shè)計(jì)平臺(tái)。針對(duì)不同線路工況對(duì)列車氣動(dòng)性能要求的側(cè)重點(diǎn)也不同，現(xiàn)階段需要著力研究高速列車頭型譜系化設(shè)計(jì)理論與方法，搭建具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速列車頭型譜系化設(shè)計(jì)平臺(tái)，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行高速列車頭型譜系化設(shè)計(jì)，以滿足我國(guó)幅員廣闊的高速鐵路網(wǎng)對(duì)高速列車氣動(dòng)性能多樣性的需求。

4 總結(jié)

1）基于“試驗(yàn)設(shè)計(jì)+近似模型”的高速列車頭型數(shù)值設(shè)計(jì)優(yōu)化的理論與技術(shù)體系基本形成，在參數(shù)化建模、試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法及近似模型精度評(píng)價(jià)等等方面仍有大量的研究工作有待開展。

2）高速列車頭型數(shù)值設(shè)計(jì)優(yōu)化為列車空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)提供了新的理論與方法，未來(lái)研究主要集中在列車頭型與建筑物耦合設(shè)計(jì)、列車頭型譜系化設(shè)計(jì)以及列車頭型MDO等方面。

3）發(fā)展適合國(guó)情并具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)高速列車頭型設(shè)計(jì)理論與方法，建立高速列車頭型設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系，是滿足我國(guó)高速鐵路可持續(xù)發(fā)展的需要，也是我國(guó)高速列車走出國(guó)門，參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的需要。

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Present Situation and Future Development of High Speed Train Nose Shape Design Based on CFD

Zhao Huairui1，Li Ping1，Yang Fuchao2
（1.Institute of Modern Railway Vehicles,School of Railway Tracks and Transportation,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China;2.Department of Mechanical and Electrical Engineering,Henan Mechanical and Electrical Engineering College,Xinxiang 453002,China）

The traditional design methods of high speed train nose shape,based on experiments,chooses the best one by comparing the aerodynamic performance of those limited design options,which is not real optimization.Nu?merical simulation combined with nonlinear optimization method has offered the new research direction and field for train nose shape design.The present research situation of high speed train nose shape design and optimization is analyzed and summarized,in design method,parametric method and computing strategies four aspects.Six re?search and development trends in high speed train nose shape design are pointed out as follows：coupling design with architectures alone railway,family design,multidisciplinary design optimization,life-cycle design,random?ized design.As the train speeds up,it needs in China to develop safe，high efficient and environment-friendly nose shape,to develop widely-used,reliable and efficient nose shape design method and technology,national guidelines and standards for high speed train nose shape design.

high speed train;nose shape;design and optimization;aerodynamic

U238

A

1005-0523（2014）02-0001-08

2013-10-20

973計(jì)劃項(xiàng)目(2011CB711100)；華東交通大學(xué)博士啟動(dòng)基金（09132009）

趙懷瑞（1977—），男，講師，博士，主要研究方向?yàn)楦咚倭熊嚳諝鈩?dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)疲勞。