【正文】 高速列車安全運行的技術(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)范和標準的制定 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) 時速 500 公里條件下的高速列車基礎(chǔ)力學(xué)問題研究 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) 行為與列車運行安全性、平穩(wěn)性、舒適性和周圍環(huán)境的影響關(guān)系研究作為本項目的研究重點。 本項目的具體技術(shù)路線見圖 2。 耦合動力學(xué)行為對列車運行安全性、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 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 時速 500 公里條件下的高速列車基礎(chǔ)力學(xué)問題研究 (三 ) 創(chuàng)新點與特色 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，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 高速列車運行安全性、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，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)律及其對列車運行安全性的影響機制。 在研究內(nèi)容特色方面， 本項目針對列車在 時速 500 公里條件下 運動行為的研究，認識現(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；涉及運行阻力、列車運動姿態(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)生機理和規(guī)律，最終建立符合 時速 500 公里條件下列車運行 特征的理論模型及對列車運行安全性的影響關(guān)系。 2. 創(chuàng)新點 (1)以實際運營環(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)的高速列車的運動行為、特性和規(guī)律 及對列車運行安全性、平穩(wěn)性和舒適性的影響機制 。 (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。 時速 500 公里條件下的高速列車基礎(chǔ)力學(xué)問題研究 (3)首次在 時速 500 公里條 件下 考慮車體、構(gòu)架和輪對運動慣量和輪對陀螺效應(yīng)對高速列車非線性穩(wěn)定性的影響機理和規(guī)律，提出保證運行安全性和穩(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)系對列車運行安全的影響。 (5)首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行速度限值。 (9)以耦合振動行為為衡量指標 ， 探索大系統(tǒng)耦合條件下高速列車的技術(shù)極限速度。 (四 ) 取得重大突破的可行性分析 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果，提高列車運行安全速度極限。 (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)律及對列車運行安全可靠性的影響。 時速 500 公里條件下的高速列車基礎(chǔ)力學(xué)問題研究 (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 。 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)大國向強國邁進的戰(zhàn)略機遇期，我們 不僅要進一步豐富發(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)威性的話語權(quán) ，搶占世界高速列車技術(shù)的制高點。 本項目 就 是 基于上述需求與目標提出的，其研究實現(xiàn)的可行性主要依據(jù)以下四個方面： （ 1） 2020 年以來，我國高速列車技術(shù)發(fā)展取得重大進展，以京津城際高速鐵路、武廣客運專線和鄭西客運專線等近 4000 公里、運營時速達到 350 公里的高速鐵路順利開通運營為標志，中國鐵路已全面系統(tǒng)地掌握了當(dāng)今世界最先進的高速鐵路技術(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、武廣客運專線和鄭西客運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、牽引傳動國家重點實驗室等，并在此平臺上構(gòu)建了代表當(dāng)今世界先進水平的試驗系統(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： 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)一流科研機構(gòu)與團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時速 500 公里條件下的高速列車基礎(chǔ)力學(xué)問題研究 學(xué)院共建的“先進軌道交通力學(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 2020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)。 上述條件為實現(xiàn)時速 500 公里 條件下基礎(chǔ) 力學(xué)問題的研究目標奠定了堅實的基礎(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)。 2020 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)作的運作機制，實行項目首席科學(xué)家負責(zé)制和課題責(zé)任專家逐級負責(zé)制，嚴格按照研究目標和計劃節(jié)點倒逼進度，確保項目研究工作順利進行。 本項目是國家的重大戰(zhàn)略需求，其先進性、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。 時速 500 公里條件下的高速列車基礎(chǔ)力學(xué)問題研究 四、年度計劃 年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標 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、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)和受電弓空間運動