高速列车头型多目标气动优化设计

为提高明线运行的高速列车气动性能,以头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了多目标自动优化设计.以某新型高速列车为原型,建立了包含转向架区域的高速列车参数化模型,提取了7个设计变量,分别控制鼻尖高度、端盖开闭机构顶端高度、驾驶室车窗高度、水平最大外轮廓线横向宽度、头型中部辅助控制线凹凸度、转向架区域横向宽度和隔墙倾角,并基于计算流体动力学理论,建立了高速列车空气动力学模型.应用该模型计算作用在列车上的气动力,通过多目标遗传算法自动更新设计变量,实现了高速列车头型的自动优化设计.对优化目标与设计变量的相关性进行分析,结果表明:驾驶室车窗高度和转向架区域横向宽度对头车阻力影响最大,头型鼻尖高度和中部辅助控制线凹凸度对尾车升力影响最大;优化后得到6个Pareto最优头型,与优化前的头型相比,头车阻力最多减小3.15%,尾车升力最多减小17.05%.      

中国高速列车气动减阻优化综述

研究了中国高速列车气动减阻优化进展,总结了典型部件的压力分布特性与各部件在列车气动阻力中的贡献占比,评析了惰行试验、风洞试验与数值模拟3种列车气动阻力研究方法,论述了和谐号、复兴号等系列列车头型气动性能的差异,阐述了高速列车头型气动减阻优化方法与技术,梳理了转向架区域、车端连接处、受电弓及导流罩等局部不平顺区域的气动减阻措施,归纳了适用于高速列车的前沿减阻技术。研究结果表明:数值模拟和风洞试验各有优缺点,经过风洞试验有效验证的数值模拟是准确计算列车气动阻力的有效途径; 列车气动阻力中贡献占比的主要部件为头车、尾车、转向架、受电弓与车端连接处; 由于现有高速列车的高度流线化,头型优化较难实现大幅度的减阻,改善转向架区域裙板、设计全包外风挡与优化受电弓和导流罩外形是进一步减阻的有效措施; 减阻降噪、提升运行平稳性和舒适性等多目标优化是列车头型设计的发展趋势,通过直接寻优计算或者代理模型寻优计算能够提高优化效率与降低优化设计成本; 未来应重点研究高速列车的仿生表面微结构、吹吸气流动控制、等离子体减阻与涡流发生器减阻技术,实现中国高速列车的绿色、节能、高速化发展。      

基于人机工程学的高速动车组新头型优化设计

在高速列车头型设计工作中,综合考虑速度能力及司机室人机工效等设计要素,基于司机室驾驶空间与作业安全、人机工程学标准等设计原则,确定了新头型头部设计约束条件,进而采用三维变量化技术建立了高速动车组头型的参数化模型,所研究的头型设计方法有助于提升实现高速动车组设计能力.     

高速列车优化外形的数值分析

本文利用作者博士研究生期间提出的三维钝体湍流绕流数值计算方法和计算程序，在国内首次对高速列车头型及车体横截面优化进行数值模拟研究，了解流线型头型各几何参数与形阻关系以及横截面各几何参数对横风下列车稳定性、安全性的影响。为京沪线高速列车推荐出综合考虑气动阻力、压力波特性的最佳头型，计算结果与西南交通大学ＸＮＪＤ－１风洞试验结果吻合很好。     

全尺寸高速列车头型气动噪声分析方法

建立高速列车头型气动噪声分析方法有利于了解头型与空气相互作用产生的气动噪声特性及其对车内外的影响.为此,先后建立了两个头型的1∶8缩比三节编组气动噪声仿真模型,并开展气动噪声仿真计算,得到外场测点平均总声压级.通过与风洞试验结果相比较,两者量值相差小于3 d BA,且头型1均小于头型2,验证数值仿真结果.为了实现全尺寸高速列车头型气动噪声数值仿真,提出在三节编组的计算域中截取一部分—子域法.子域法和整车得到头型部位的气动特性一致性间接表明子域法的合理性.利用子域法开展了全尺寸头型1和头型2气动噪声仿真计算,得到头型表面声功率、表面和外场总声压级,可为头型选型和优化提供依据,从而建立了基于数值仿真的全尺寸高速列车头型气动噪声分析方法,解决了以往无法通过风洞试验和数值仿真进行全尺寸高速列车头型气动噪声分析.     

新一代高速动车组380CL头型与原型车气动特性比较

为研究时速380 km/h的新一代高速列车,北车长客公司设计了新一代头型,通过数值模拟技术,对比研究了新头型与原型车的气动特性,模拟结果表明:计算结果与风洞试验结果吻合良好,CRH380CL头型气动性能全面优于CRH3C头型;各项减阻措施中,头型优化、车底整流均有明显减阻效果,特别车底整流的减阻效果可以推广应用于长大编组情况.     

高速列车气动性能低温风洞试验

采用低温风洞试验对比了中国高速列车HST、法国高速列车TGV和德国高速列车ICE3的气动性能; 基于EN 14067和TSI标准在铝质材料模型上测试了不同侧偏角下列车阻力、升力和倾覆力矩; 利用粒子图像测速技术测量了列车周围流场, 得到了高速列车与空气的相互作用机理和气动现象; 采用计算流体力学方法模拟了高速列车实际运行情况, 并与低温风洞试验流场测试结果进行了对比。研究结果表明: 0°~10°侧偏角下列车阻力系数绝对值从大到小依次为HST、ICE3、TGV, 侧偏角为0°时, 3种列车的阻力系数分别为0.223、0.166、0.140;0°~5°侧偏角下列车升力系数绝对值从大到小依次为TGV、ICE3、HST, 且数值均接近0, 其中ICE3、HST为正升力, 列车受压向轨面力, TGV为负升力, 列车受上浮力; 0°~5°侧偏角下列车倾覆力矩系数绝对值从大到小依次为TGV、HST、ICE3, 侧偏角为0°时, 3种列车倾覆力矩系数分别为0.021、0.019、0.011;HST高速列车由于头部双层造型设计, 在头部曲面过渡处出现流动分离, 增大了列车摩擦阻力和压差阻力, 导致列车阻力系数比TGV和ICE3偏大一些, 但阻力系数在高速列车头型设计技术要求限值0.25之内, 且升力和倾覆力矩性能较好, 列车具有良好的稳定性, 满足高速列车头型气动设计的工程需求。      

基于STAR-CCM+的高速列车空气动力学性能数值分析

应用STAR-CCM+软件对某高速列车外流场CFD计算过程与结果做了通用性的描述,并从阻力系数、速度场和压力场几个方面对列车在明线运行工况下的空气动力性能进行了研究.通过仿真分析表明,列车的总阻力主要来源于列车受到的压差阻力,且鼻端处压力值最大并沿着过渡区域逐渐降低.对列车CFD分析应用流程做了初步的归纳与总结,并对列车头型设计提出参考性的建议.     

高速列车牵引电机自适应故障诊断研究

为保证高速列车的安全高效运行,设计一种基于多模型方法的高速列车故障诊断与调节策略,实现了对未知牵引电机故障的准确诊断和给定速度曲线的渐近跟踪。首先,通过分析常见的牵引电机故障,建立故障模式集,得到每种故障模式下的高速列车参数化模型;再基于每种故障模式下的参数化模型设计自适应估计器,得到估计器集,并基于估计误差设计性能损失函数进行高速列车牵引电机自适应故障诊断;最后根据诊断出的故障模式和大小等信息设计高速列车自适应故障调节控制器,保证系统稳定和对给定速度曲线的渐近跟踪。仿真结果表明,设计的高速列车自适应故障诊断与调节策略能有效地实现对未知牵引故障的诊断和补偿。     

横风下高速列车动力学参数的多目标优化

为改善高速列车横风下运行的动力学性能, 提高运行平稳性和安全性, 以轮轴横向力和轮重减载率为优化目标, 对高速列车动力学模型的悬挂参数进行多目标优化设计; 建立高速列车多体动力学参数化模型, 依照大风限速标准, 加载列车在横风下以不同速度运行的气动力数据, 选取了止挡间隙、一系悬挂纵向和垂向刚度、二系悬挂纵向和垂向刚度、一系垂向减振器刚度、二系横向和垂向减振器刚度、抗蛇形减振器刚度及阻尼11个变量; 搭建高速列车动力学模型优化平台, 对高速列车多体动力学参数化模型的设计参数与轮轴横向力和轮重减载率的相关性进行分析, 得到列车各悬挂参数对轮轴横向力和轮重减载率的影响趋势; 基于相关性结果, 采用NCGA、AMGA和NSGA-Ⅱ遗传算法对高速列车的动力学参数进行优化设计。分析结果表明: 采用NSGA-Ⅱ算法的优化结果最为理想; 与轮轴横向力和轮重减载率相关性最大的参数为抗蛇形减振器刚度, 为反效应; 优化后列车的动力学性能得到明显的改善, 轮重减载率从原始的0.78整体优化到0.63以下, 且最小可以优化到0.49, 最高可降低37.2%;轮轴横向力从原始的16.8 kN整体优化到9.6 kN以下, 且最小可以优化到5.79 kN, 最高可降低65.5%;得到了优化目标的Pareto前沿最优解, 确定了列车各动力学参数设计变量的最优解集, 并对最优解集在其他列车速度和风速组合下的运行工况进行验证, 适用性较好。      

固定辙叉心轨轨顶降低值优化

为合理选取固定辙叉心轨轨顶降低值,基于车轮踏面在翼轨和心轨间过渡时的轮轨接触几何关系和动力相互作用,提出了心轨关键断面降低值的选取及评价方法.以LMA型车轮踏面列车直逆向通过60 kg/m钢轨12号固定辙叉式道岔为例,用该方法对心轨轨顶降低值进行了优化.结果表明:心轨关键断面降低值的确定,在满足固定辙叉区轮载过渡的安全性和心轨承载断面强度要求的同时,应提高列车运行的稳定性;断面降低值越小,产生的轮轨相互作用越小,有利于提高行车性能,但需考虑此时轮轨作用位置是否超出心轨结构承载能力范围;60 kg/m钢轨12号固定辙叉心轨顶宽20和50 mm断面处,可分别取3和0 mm降低值作为优选方案.      

高速列车头部气动性能的模拟计算与试验

为了研究高速列车的头形对列车整车的气动性能有着重要的影响,对一节半车编组列车分别进行了空气动力学仿真分析和风洞试验．采用有限体积法对列车头部周围流场进行区域离散,进行气动性能仿真分析,得到高速列车头车的气动特性参数．在满足几何相似的基础上,对一节半编组的列车模型进行风洞试验,获取头部的气动参数,并从模拟仿真分析结果与风洞试验结果对比分析中验证,两种方法能够相互补充,相互印证,为高速列车头形的研究总结出有效的研究途径．     

高速列车头部气动性能的模拟计算与试验

为了研究高速列车的头形对列车整车的气动性能有着重要的影响,对一节半车编组列车分别进行了空气动力学仿真分析和风洞试验.采用有限体积法对列车头部周围流场进行区域离散,进行气动性能仿真分析,得到高速列车头车的气动特性参数.在满足几何相似的基础上,对一节半编组的列车模型进行风洞试验,获取头部的气动参数,并从模拟仿真分析结果与风洞试验结果对比分析中验证,两种方法能够相互补充,相互印证,为高速列车头形的研究总结出有效的研究途径.     

高速列车运行调整与运行控制一体化双目标优化模型与算法

列车实时运行调整与运行控制是实现高速列车准点节能运行的两个重要方面.本文构建高速列车运行调整与运行控制一体化优化模型，以降低列车总延误时间与运行能耗为目标，同时优化列车速度距离与时间距离曲线.与以往研究将列车运行调整与运行控制独立优化不同，本文基于列车牵引计算，通过锁闭时间理论将列车运行调整与控制的解空间进行耦合，根据列车运行速度、制动性能、信号系统的清空与开放时间、轨道区段/闭塞分区的长度等因素，精细化计算列车占用不同轨道区段/闭塞分区的时间，动态确定列车区间运行时分与追踪间隔.为求解复杂的非线性模型，设计分段近似法将非线性约束进行重构，从而将非线性优化模型转变为混合整数规划模型.通过算例计算，给出双目标问题的帕累托解集，与单目标优化方法对比，本文方法可以减少总能耗2.46%，降低运行总延误7.33%.     

高速列车运行调整与运行控制一体化双目标优化模型与算法

列车实时运行调整与运行控制是实现高速列车准点节能运行的两个重要方面.本文构建高速列车运行调整与运行控制一体化优化模型,以降低列车总延误时间与运行能耗为目标,同时优化列车速度距离与时间距离曲线.与以往研究将列车运行调整与运行控制独立优化不同,本文基于列车牵引计算,通过锁闭时间理论将列车运行调整与控制的解空间进行耦合,根据列车运行速度、制动性能、信号系统的清空与开放时间、轨道区段/闭塞分区的长度等因素,精细化计算列车占用不同轨道区段/闭塞分区的时间,动态确定列车区间运行时分与追踪间隔.为求解复杂的非线性模型,设计分段近似法将非线性约束进行重构,从而将非线性优化模型转变为混合整数规划模型.通过算例计算,给出双目标问题的帕累托解集,与单目标优化方法对比,本文方法可以减少总能耗2.46%,降低运行总延误7.33%.     

基于遗传算法的列车运行能耗优化算法

研究了CBTC系统中列车控制模型和列车运行调整,以降低能耗为目标,对列车在区间的运行控制进行优化组合,提出了基于遗传算法的能耗优化算法,根据具体的线路条件,计算了在不同的运行等级下或不同区间运行时分对应的列车运行速度曲线。以一段2 400m长,具有典型节能坡设置,且包含一段60km.h-1区间限速的线路为例,进行了能耗计算和优化仿真。研究结果表明:优化之后速度曲线与其对应的运行等级2、3、4的速度曲线相比,列车牵引能耗减少到原来的62%、58%、60%,节能效果显著,算法有效。     

列车节能运行目标速度控制优化研究

探讨了城市轨道交通列车节能运行控制问题,提出了一种分段目标速度控制策略,将目标速度的大小、调速范围和里程范围作为控制参量,建立了定时约束下的列车节能运行优化模型.设计了一种双重惩罚机制的实数编码遗传算法求解模型,对列车晚点和非节能方案进行惩罚以提高算法收敛速度.仿真分析表明,该方法得到的目标速度控制方案较好地适应了线路条件,有效地避免了列车在下坡道的制动调速,与启发式算法得到的运行结果相比,案例中不同富裕时分程度下的优化方案平均节能率22.2%.     

横风作用下高速列车-桥梁系统气动特性风洞试验

为研究高速列车在运营过程中的气动特性, 分析其气动特性变化机理, 设计了2种高速列车-桥梁系统的气动特性风洞试验方案; 开发并建立了适用于在风洞中的高速列车-桥梁系统试验方法与系统; 试验系统分为运动系统与数采系统2个部分; 运动系统基于惯性驱动原理, 以高速伺服电机为驱动力, 通过高强度旋转传送带将缩尺比为1∶8~1∶30的移动车辆模型在风洞中以最高速度50 m·s-1模拟真实运行环境中运行; 在运动系统的搭载下, 自主研发了一套数采系统, 并在风洞实验室中对有无横风作用下的列车进行了气动特性测试。分析结果表明: 试验方法与系统适用于加减速距离短、瞬时加速度大的试验场景, 且不受车辆外形与基础设施的限制, 可降低设计成本, 提高试验的安全与稳定性; 标准误差与平均值之比均不大于10%, 表明数采系统测试的车辆气动特性有较好的平稳性和可重复性, 能够精准得到列车在不同试验条件下的气动特性; 通过对比有无横风作用下的列车气动特性, 得到列车速度对车辆的气动特性影响极其重要; 列车高速移动时, 其因速度产生的气动影响远远大于横风, 且表面测点平均风压系数最大值可达-10, 反映了静态模型的试验方式不能够满足模拟列车高速运行时气动特性状态。