【正文】 合等氣動(dòng)效應(yīng)；涉及振動(dòng)、噪音和舒適性的結(jié)構(gòu)振動(dòng)等基礎(chǔ)力學(xué)問題。項(xiàng)目針對(duì)性強(qiáng)，研究目的明確，而且基礎(chǔ)研究和應(yīng)用十分緊密。 認(rèn)識(shí)行為 ? 氣動(dòng) ? 振動(dòng) ? 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 ? 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(shí)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。 借助三個(gè)條件。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。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。 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。 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。 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。 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。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 。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。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。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，培養(yǎng)出一支年輕的、高水平的專業(yè)研究團(tuán)隊(duì)。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。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 時(shí)速 500 公里條件下的高速列車基礎(chǔ)力學(xué)問題研究 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。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(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。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時(shí)速 500 公里條件下的高速列車基礎(chǔ)力學(xué)問題研究 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 。 (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。 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。 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 。 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。 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(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。 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。 2. 完成高速輪軌接觸行為和高速輪軌黏著的數(shù)值仿真。 時(shí)速 500 公里條件下的高速列車基礎(chǔ)力學(xué)問題研究 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。 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。具體學(xué)術(shù)思路見圖 1。一是依托時(shí)速 500 公里高速試驗(yàn)列車和 近 300 公里長的試驗(yàn)線路；二是國內(nèi)一流的實(shí)驗(yàn)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(duì)。堅(jiān)持基礎(chǔ)理論研究和科學(xué)試驗(yàn)研究相結(jié)合，將“試驗(yàn) 建模 驗(yàn)證 仿真 再試驗(yàn) 模型修正 再驗(yàn)證 再仿真”作為本項(xiàng)目的核心技術(shù)路線；將考慮復(fù)雜耦合作用的整車動(dòng)力學(xué) 行為與列車運(yùn)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(xiàng)目的研究重點(diǎn)。 在技術(shù)路線特色方面， 本項(xiàng)目依托具有實(shí)際運(yùn)營環(huán)境的 500km/h 高速試驗(yàn)列車創(chuàng)新研究平臺(tái)，長期開展在 時(shí)速 500 公里條件下的線路 試驗(yàn)，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(shí)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(yàn)研究相結(jié)合，進(jìn)行模型的驗(yàn)證。研究核心是認(rèn)識(shí) 時(shí)速 500 公里條件下列車 特殊流場(chǎng)、線路激擾和系統(tǒng)流固耦合振動(dòng)行為、揭示其 產(chǎn)生機(jī)理和規(guī)律，最終建立符合 時(shí)速 500 公里條件下列車運(yùn)行 特征的理論模型及對(duì)列車運(yùn)行安全性的影響關(guān)系。 (4)建立 時(shí)速 500 公里條件下 輪軌滾動(dòng)接觸行為理論模型和黏著計(jì)算方法，獲得輪軌黏著趨近極限，探索輪軌關(guān)系對(duì)列車運(yùn)行安全的影響。 (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(dòng)傳遞，研究尾車在尾端開放條件的車輛運(yùn)動(dòng)行為。 (2) 獲得 時(shí)速 500 公里條件下的 高速列車氣動(dòng)力特性和作用規(guī)律及氣動(dòng)效應(yīng)安全閾值。 (6) 在時(shí)速 500 公里條件下，考慮了 氣流擾動(dòng)的滑動(dòng) 跳動(dòng)弓網(wǎng)接觸耦合振動(dòng)模型及數(shù)值方法，探索弓網(wǎng)利用極限。 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)威性的話語權(quán) ，搶占世界高速列車技術(shù)的制高點(diǎn)。另一方面，在產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的創(chuàng)新聯(lián)盟推動(dòng)下，國內(nèi)一流科研機(jī)構(gòu)與團(tuán)隊(duì)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(shí)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(jìn)軌道交通力學(xué)研究中心”平臺(tái)上，匯聚了包括 空氣動(dòng)力學(xué)、 車輛工程、 流固耦合 力學(xué) 、結(jié)構(gòu) 動(dòng) 力學(xué)、鐵路工程、 滾動(dòng)接觸力學(xué) 、 車輛動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域的專家團(tuán)隊(duì)和產(chǎn)業(yè)資源。 (五 ) 組織方式 本項(xiàng)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(xiàng)目規(guī)定的各項(xiàng)研究任務(wù)。 對(duì)于本項(xiàng)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(dòng)計(jì)劃》的總體要求和 973 項(xiàng)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(shí)行項(xiàng)目首席科學(xué)家負(fù)責(zé)制和課題責(zé)任專家逐級(jí)負(fù)責(zé)制，嚴(yán)格按照研究目標(biāo)和計(jì)劃節(jié)點(diǎn)倒逼進(jìn)度，確保項(xiàng)目研究工作順利進(jìn)行。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. 完成依托京滬先導(dǎo)段科學(xué)試驗(yàn)研究的試驗(yàn) 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(bào)告 。 4. 建立 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。 6. 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。 時(shí)速 500 公里條件下的高速列車基礎(chǔ)力學(xué)問題研究 年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 技術(shù)極限速度 。 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(dòng) 的精確數(shù)值算法。 初步確定接觸疲勞對(duì)輪軌材料表層組織結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。 5. 掌握計(jì)及車體振動(dòng)時(shí)弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)的隨機(jī)振動(dòng)特性 。 6. 提出 求解高速列車技術(shù)極限速度的試驗(yàn)手段和理論方法； 完成 京滬先導(dǎo)段科學(xué)試驗(yàn) 關(guān)鍵參數(shù)與指標(biāo)極值分布及規(guī)律研究分析報(bào)告 ； 細(xì)化為驗(yàn)證 高速列車技術(shù)極時(shí)速 500 公里條件下的高速列車基礎(chǔ)力學(xué)問題研究 年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標(biāo) 限速度 理論模