【正文】 時(shí)速500公里條件下的高速列車基礎(chǔ)力學(xué)問題研究項(xiàng)目名稱：時(shí)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(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所起止年限：依托部門：鐵道部 中國(guó)科學(xué)院二、預(yù)期目標(biāo)(一) 總體目標(biāo)本項(xiàng)目圍繞時(shí)速500公里條件下的列車動(dòng)力學(xué)行為，開展前沿探索性研究工作，旨在從整個(gè)高速列車運(yùn)行速度域的全局來認(rèn)識(shí)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(dòng)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(duì)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(chǔ)備，取得突破性和創(chuàng)造性的研究成果，引領(lǐng)世界高速列車關(guān)鍵力學(xué)問題的研究。 拓展對(duì)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(shí)。依托時(shí)速500公里高速試驗(yàn)列車，在時(shí)速500公里條件下，探明高速列車氣動(dòng)效應(yīng)特性和規(guī)律；探索復(fù)雜輪軌滾動(dòng)接觸行為、輪軌黏著機(jī)理；發(fā)現(xiàn)弓網(wǎng)滑動(dòng)和跳動(dòng)接觸動(dòng)態(tài)行為特征、弓網(wǎng)接觸斑形貌、接觸振動(dòng)和氣流作用對(duì)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(dòng)力學(xué)特性；探討列車整體結(jié)構(gòu)模態(tài)和局部振動(dòng)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?jī)?nèi)容和研究方法，從而在整個(gè)高速列車運(yùn)行速度域的全局來認(rèn)識(shí)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)世界高速列車基礎(chǔ)力學(xué)問題的研究。同時(shí)，揭示關(guān)鍵力學(xué)行為對(duì)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。 全面提升我國(guó)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(dòng)力學(xué)理論為代表，從時(shí)速350公里拓展到時(shí)速500公里；在研究手段方面，構(gòu)建由仿真分析、地面試驗(yàn)和線路試驗(yàn)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(yàn)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(shí)踐需求緊密結(jié)合，互為支撐，相互推動(dòng)，形成具有現(xiàn)實(shí)性與引領(lǐng)性的研究成果，同時(shí)在此創(chuàng)新研究的平臺(tái)上，促進(jìn)研究人員與工程技術(shù)人員的研究能力與實(shí)踐能力迅速成長(zhǎng)，培養(yǎng)出一支年輕的、高水平的專業(yè)研究團(tuán)隊(duì)。在研究成果方面，將在國(guó)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(guó)際影響的論文50篇以上，出版著作35部，申請(qǐng)發(fā)明專利15項(xiàng)，申請(qǐng)軟件登記5項(xiàng)，培養(yǎng)博士后與博士生65名。 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(xiàng)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(dòng)擾動(dòng)下的流固耦合列車動(dòng)力學(xué)行為、車體結(jié)構(gòu)振動(dòng)等，此類成果不僅拓展了空氣動(dòng)力學(xué)的研究范圍，而且對(duì)于高速磁懸浮列車的氣動(dòng)行為，及其車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)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)第一年度：1. 基于可壓縮流動(dòng)模型，針對(duì)非定常流動(dòng)，開發(fā)高速列車空氣動(dòng)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(shí)速500公里試驗(yàn)列車和試驗(yàn)線路條件，確定試驗(yàn)方案。2. 初步完成時(shí)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(dòng)力學(xué)數(shù)值模型、輪軌滾動(dòng)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(shí)速500公里條件下的輪軌黏著試驗(yàn)裝置、高能束流非均勻改性配套裝置的方案設(shè)計(jì)、加工和調(diào)試。3. 揭示非等波速鏈型結(jié)構(gòu)懸索波動(dòng)傳播、波動(dòng)分散和波動(dòng)匯合的振動(dòng)規(guī)律；提出考慮接觸網(wǎng)和受電弓空間運(yùn)動(dòng)、系統(tǒng)的彈性作用和高速氣流擾動(dòng)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(dòng)態(tài)方程和弓網(wǎng)電弧時(shí)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(shí)速500公里條件下，利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析給出的邊界條件與線路試驗(yàn)測(cè)量的振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行列車部件振動(dòng)分析方法，揭示氣動(dòng)力非均勻分布對(duì)部件振動(dòng)特征的影響機(jī)理，建立氣動(dòng)力與車輛振動(dòng)耦合作用下列車關(guān)鍵部件振動(dòng)分析模型與方法。5. 在時(shí)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(dòng)力學(xué)模型，研究其準(zhǔn)確建模方法；研究高速列車動(dòng)力載荷的等效簡(jiǎn)化模型與方法。第二年度：1. 開展時(shí)速500公里實(shí)車線路試驗(yàn)，通過列車速度系列變化，測(cè)得列車阻力、升力和橫向擾動(dòng)力與速度的關(guān)系曲線，分析在時(shí)速500公里條件下高速列車的氣動(dòng)阻力特性， 探索耦合條件下氣動(dòng)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(yàn)構(gòu)件設(shè)計(jì)加工，調(diào)試試驗(yàn)裝置，進(jìn)行部分工況黏著特性試驗(yàn)，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(dòng)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(dòng)和跳動(dòng)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(duì)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(shí)的氣動(dòng)激擾對(duì)列車（含受電弓）作用關(guān)系。第三年度：1. 時(shí)速500公里條件下的列車整車氣動(dòng)行為機(jī)理研究。通過時(shí)速500公里高速試驗(yàn)列車線路試驗(yàn)，結(jié)合動(dòng)模型試驗(yàn)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(zhǎng)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(dòng)力學(xué)特征。2. 完善數(shù)值仿真程序，全面開展時(shí)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(dòng)力學(xué)模型，完成不同速度等級(jí)運(yùn)營(yíng)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(yàn)驗(yàn)證和輪軌表面高能束流非均勻改性試驗(yàn)研究及黏著控制試驗(yàn)。3. 分析不同波速利用率下的弓網(wǎng)振動(dòng)特性，提出接觸網(wǎng)波速的最佳利用率和利用極限；辨識(shí)強(qiáng)氣流擾動(dòng)條件下弓網(wǎng)耦合振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)軌跡的演變規(guī)律；揭示高速運(yùn)行條件下強(qiáng)氣流對(duì)弓網(wǎng)電弧的影響規(guī)律。4. 研究?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)與車體結(jié)構(gòu)諧振、共振及多耦合振動(dòng)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(duì)陀螺效應(yīng)，車輪、轉(zhuǎn)向架和車體慣量對(duì)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的影響；掌握高速列車蛇行運(yùn)動(dòng)失穩(wěn)特性（包括失穩(wěn)頻率和振動(dòng)幅值）對(duì)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(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析方法。第四年度：1. 通過時(shí)速500公里試驗(yàn)列車線路試驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析時(shí)速500公里條件下的列車非定常流動(dòng)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(dòng)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(yàn)曲線；全面開展時(shí)速500公里條件下的輪軌黏著試驗(yàn)、輪軌接觸表面形貌高能束流非均勻改性試驗(yàn)及黏著控制試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。3. 確定多弓受流狀態(tài)下的接觸網(wǎng)波動(dòng)特征，揭示復(fù)雜波動(dòng)源下接觸網(wǎng)振動(dòng)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(jì)參數(shù)和弓網(wǎng)接觸副廓型對(duì)弓網(wǎng)耦合振動(dòng)及接觸壓力的影響規(guī)律；揭示弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸壓力、接觸副廓型、弓網(wǎng)接觸斑形貌等對(duì)接觸電阻的影響規(guī)律；4. 將各種激擾在動(dòng)力學(xué)模型中綜合考慮，發(fā)展流固耦合動(dòng)力學(xué)分析模型，研究時(shí)速500公里條件下的高速列車整車動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特征。研究車體結(jié)構(gòu)在復(fù)雜氣動(dòng)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(shí)驗(yàn)、動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真等研究結(jié)果，分析時(shí)速500公里條件下的列車氣動(dòng)效應(yīng)特征，建立列車隨速度變化的氣動(dòng)效應(yīng)綜合分析體系；建立氣動(dòng)效應(yīng)對(duì)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(yàn)研究，得到考慮更多因素黏著規(guī)律曲線、動(dòng)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觸形貌試驗(yàn)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(duì)弓網(wǎng)耦合振動(dòng)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(shí)速500公里條件下，研究車體在各種激擾下的振動(dòng)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(dòng)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(tái)架試驗(yàn)、風(fēng)洞模擬試驗(yàn)和高速列車線路動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，進(jìn)行理論模型的試驗(yàn)驗(yàn)證。預(yù)測(cè)高速條件下整車流固耦合動(dòng)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(duì)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(shí)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(shí)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(guó)自主研發(fā)即將下線的時(shí)速500公里試驗(yàn)列車，認(rèn)識(shí)在高速特別是超高速運(yùn)行條件下列車動(dòng)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)速度等所逼近的極限、氣動(dòng)阻力隨列車速度的變化規(guī)律以及以保證列車動(dòng)力學(xué)性能和安全性的軌道和接觸網(wǎng)不平順限制、氣動(dòng)升力、橫向力和傾覆力矩的限制，從此來認(rèn)識(shí)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(duì)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(dòng)力學(xué)行為和力學(xué)特征，極大地提高人們對(duì)高速列車的認(rèn)知能力；同時(shí)將豐富高速列車流固耦合動(dòng)力學(xué)、輪軌關(guān)系、弓網(wǎng)關(guān)系及列車空氣動(dòng)力學(xué)的理論體系，完善現(xiàn)有高速列車的設(shè)計(jì)和計(jì)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(shí)行為216。 氣動(dòng)216。 振動(dòng)216。 噪聲行為探索高速列車安全運(yùn)行的技術(shù)速度極限500km/h高速試驗(yàn)列車大型試驗(yàn)平臺(tái)200 300 400（已知） 500（安全、平穩(wěn)、友好？） （km/h）豐富動(dòng)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(jì)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 216。 環(huán)境的 216。 耦合的 216。 變量的揭示規(guī)律216。