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(wèn)題研究首席科學(xué)家：楊國(guó)偉 中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所起止年限：2010.9至2015.9依托部門(mén)：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(kāi)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(lái)認(rèn)識(shí)高速列車關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題，延拓在不同速度域其力學(xué)問(wèn)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(wèn)題和極限問(wèn)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(lái)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(wèn)題的研究。1、 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(wèn)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(guò)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(lái)認(rèn)識(shí)高速列車關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)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(wèn)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。2、 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3-5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。3、 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(kāi)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(lái)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(kāi)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(kāi)展時(shí)速500公里實(shí)車線路試驗(yàn)，通過(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(wèn)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(wèn)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(lái)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(lái)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(jiàn)圖1。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)圖1 本項(xiàng)目研究的學(xué)術(shù)思路(二) 技術(shù)路線1、基于兩個(gè)前提。一是深入研究國(guó)外在高速試驗(yàn)和基礎(chǔ)研究領(lǐng)域所取得的系列成果，學(xué)習(xí)借鑒國(guó)外先進(jìn)研究方法和手段，博采眾長(zhǎng)，為我所用；二是進(jìn)一步深化研究在京津城際高速鐵路、武廣和鄭西客運(yùn)專線進(jìn)行的科學(xué)試驗(yàn)所取得的突破性研究成果，鞏固基礎(chǔ)，乘勢(shì)而上。2、借助三個(gè)條件。一是依托時(shí)速500公里高速試驗(yàn)列車和近300公里長(zhǎng)的試驗(yàn)線路；二是國(guó)內(nèi)一流的實(shí)驗(yàn)條件和裝備；三是國(guó)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)。3、把握三個(gè)關(guān)鍵。按照科學(xué)研究的基本規(guī)律，一是充分認(rèn)識(shí)并準(zhǔn)確描述時(shí)速500公里的高速列車運(yùn)動(dòng)行為與特征；二是運(yùn)用現(xiàn)代相關(guān)理論與方法，研究凝練內(nèi)在規(guī)律；三是探索在近似極限速度下的高速列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性、舒適性和對(duì)環(huán)境的影響。4、形成閉環(huán)研究體系。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)。本項(xiàng)目的具體技術(shù)路線見(jiàn)圖2。高速氣動(dòng)效應(yīng)弓網(wǎng)關(guān)系列車流固耦合關(guān)系結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性 500km/h試驗(yàn)列車 室內(nèi)高速試驗(yàn)臺(tái)架 動(dòng)模型試驗(yàn)裝置列車、受電弓剛?cè)峄旌戏蔷€性模型輪軌滾動(dòng)接觸模型弓網(wǎng)滑動(dòng)模型列車氣動(dòng)理論模型氣動(dòng)力接觸力輪軌力輪軌關(guān)系試驗(yàn)裝置理論模型和數(shù)值仿真動(dòng)力學(xué)特征耦合動(dòng)力學(xué)行為對(duì)列車運(yùn)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(xiàng)目研究的技術(shù)路線(三) 創(chuàng)新點(diǎn)與特色1. 特色在項(xiàng)目設(shè)置特色方面，本項(xiàng)目緊密結(jié)合高速鐵路發(fā)展的國(guó)家戰(zhàn)略需求，以引領(lǐng)高速列車基礎(chǔ)研究為目標(biāo)，研究高速列車在時(shí)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(duì)高速列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性和舒適性的影響，針對(duì)其中的關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題，開(kāi)展基礎(chǔ)研究。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。在技術(shù)路線特色方面，本項(xiàng)目依托具有實(shí)際運(yùn)營(yíng)環(huán)境的500km/h高速試驗(yàn)列車創(chuàng)新研究平臺(tái)，長(zhǎng)期開(kāi)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。從而走一條“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”的閉環(huán)技術(shù)路線，通過(guò)試驗(yàn)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(wèn)題的內(nèi)在規(guī)律及其對(duì)列車運(yùn)行安全性的影響機(jī)制。在研究?jī)?nèi)容特色方面，本項(xiàng)目針對(duì)列車在時(shí)速500公里條件下運(yùn)動(dòng)行為的研究，認(rèn)識(shí)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(yùn)行性能、安全性和舒適性的關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題，包括涉及支撐、導(dǎo)向和牽引制動(dòng)的輪軌接觸力學(xué)問(wèn)題；涉及受流的弓網(wǎng)耦合振動(dòng)；涉及運(yùn)行阻力、列車運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及流固耦合等氣動(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(wèn)題。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。2. 創(chuàng)新點(diǎn)(1)以實(shí)際運(yùn)營(yíng)環(huán)境下的500km/h高速試驗(yàn)列車為平臺(tái)，結(jié)合數(shù)值仿真和動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展時(shí)速500公里條件下的耦合動(dòng)力學(xué)行為研究，獲得不同速度域內(nèi)的高速列車的運(yùn)動(dòng)行為、特性和規(guī)律及對(duì)列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性和舒適性的影響機(jī)制。(2)考慮具有復(fù)雜形狀的車底與線路之間地面氣動(dòng)效應(yīng)的列車空氣動(dòng)力學(xué)，獲得在時(shí)速500公里條件下列車氣動(dòng)力特性隨速度的變化規(guī)律及氣動(dòng)安全邊界。(3)首次在時(shí)速500公里條件下考慮車體、構(gòu)架和輪對(duì)運(yùn)動(dòng)慣量和輪對(duì)陀螺效應(yīng)對(duì)高速列車非線性穩(wěn)定性的影響機(jī)理和規(guī)律，提出保證運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性的車體-構(gòu)架、構(gòu)架-輪對(duì)約束條件。(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。(5)首次開(kāi)展高能束流對(duì)材料表面非均勻改性處理表面形貌對(duì)黏著系數(shù)穩(wěn)定性和輪軌噪聲的影響，探索提高列車運(yùn)行安全性的控制方法。(6)建立時(shí)速500公里條件下，考慮高速滑動(dòng)效應(yīng)、弓網(wǎng)接觸區(qū)空間形貌、機(jī)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(shí)速500公里條件下的列車流固耦合振動(dòng)特性，車體振動(dòng)對(duì)列車運(yùn)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(dòng)傳遞，研究尾車在尾端開(kāi)放條件的車輛運(yùn)動(dòng)行為。研究線路特別是高架線路振動(dòng)波傳遞對(duì)列車振動(dòng)的影響，揭示各種影響因素耦合作用的高速列車安全運(yùn)行速度限值。(9)以耦合振動(dòng)行為為衡量指標(biāo)，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1、取得如下重大突破：(1) 揭示時(shí)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(dòng)效應(yīng)的列車整車及關(guān)鍵部件氣流的流動(dòng)規(guī)律。(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。(3) 時(shí)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(duì)列車運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性的影響規(guī)律。(4) 時(shí)速500公里條件下的列車輪軌滾動(dòng)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(shí)速500公里條件下的輪軌黏著關(guān)系曲線的建立，以及通過(guò)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(yùn)行安全速度極限。(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。(7) 在時(shí)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(dòng)規(guī)律及對(duì)列車運(yùn)行安全可靠性的影響。(8) 在時(shí)速500公里條件下，揭示車輛零部件慣性對(duì)列車臨界失穩(wěn)速度的影響規(guī)律。(9) 預(yù)測(cè)大系統(tǒng)耦合條件下高速列車的技術(shù)極限速度。2、可行性分析加快發(fā)展高速鐵路是國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，在我國(guó)迅速地從高速鐵路技術(shù)大國(guó)向強(qiáng)國(guó)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(yǔ)權(quán)，搶占世界高速列車技術(shù)的制高點(diǎn)。本項(xiàng)目就是基于上述需求與目標(biāo)提出的，其研究實(shí)現(xiàn)的可行性主要依據(jù)以下四個(gè)方面：（1）2004年以來(lái)，我國(guó)高速列車技術(shù)發(fā)展取得重大進(jìn)展，以京津城際高速鐵路、武廣客運(yùn)專線和鄭西客運(yùn)專線等近4000公里、運(yùn)營(yíng)時(shí)速達(dá)到350公里的高速鐵路順利開(kāi)通運(yùn)營(yíng)為標(biāo)志，中國(guó)鐵路已全面系統(tǒng)地掌握了當(dāng)今世界最先進(jìn)的高速鐵路技術(shù)，并在國(guó)內(nèi)構(gòu)建了系統(tǒng)完整的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。（2）在京津城際高速鐵路、武廣客運(yùn)專線和鄭西客運(yùn)專線開(kāi)展了大量高速列車科學(xué)試驗(yàn)，在350公里條件下重點(diǎn)研究了耦合條件下的高速列車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為，以及地面效應(yīng)、隧道效應(yīng)、振動(dòng)與模態(tài)噪音關(guān)系等，獲取了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了試驗(yàn)方法，保證了350公里條件下高速列車運(yùn)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(guó)家重大工程和產(chǎn)業(yè)拉動(dòng)，高速列車基礎(chǔ)研究體系與平臺(tái)建設(shè)得到了迅速發(fā)展；特別是在國(guó)家科技重大支撐項(xiàng)目的支持下，通過(guò)科技部與鐵道部共同簽署的中國(guó)高速列車自主創(chuàng)新聯(lián)合行動(dòng)計(jì)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(guó)家級(jí)的實(shí)驗(yàn)室，如軌道交通國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）、高速列車系統(tǒng)集成技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室、牽引傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等，并在此平臺(tái)上構(gòu)建了代表當(dāng)今世界先進(jìn)水平的試驗(yàn)系統(tǒng)，如時(shí)速600公里高速列車滾振試驗(yàn)臺(tái)、1：1的鋁合金車體模態(tài)和疲勞分析試驗(yàn)臺(tái)、1：1高速轉(zhuǎn)向架動(dòng)力參數(shù)響應(yīng)分析試驗(yàn)臺(tái)、模型比例1：10、試驗(yàn)速度500公里的動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)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(dòng)下，國(guó)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(guó)科學(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。（4）鐵道部正在研發(fā)的時(shí)速500公里高速試驗(yàn)列車將于2011年上半年下線，京滬線近300公里長(zhǎng)的試驗(yàn)段也將同步建成。鐵道部將提供這一世界一流的試驗(yàn)平臺(tái)，為開(kāi)展相關(guān)基礎(chǔ)研究服務(wù)。上述條件為實(shí)現(xiàn)時(shí)速500公里條件下基礎(chǔ)力學(xué)問(wèn)題的研究目標(biāo)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。(五) 組織方式本項(xiàng)目將以“中國(guó)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(guó)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)。2009年5月，在中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所成立了“中國(guó)科學(xué)院先進(jìn)軌道交通力學(xué)研究中心”，該中心由中國(guó)科學(xué)院與鐵道部聯(lián)合共建，重點(diǎn)開(kāi)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(guó)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(guó)科學(xué)院先進(jìn)軌道交通力學(xué)研究中心”平臺(tái)上，匯聚了國(guó)內(nèi)一流的科研資源和產(chǎn)業(yè)資源，其中包括：中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所、中國(guó)鐵道科學(xué)研究院、高速列車系統(tǒng)集成技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室、軌道交通國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(jī)車車輛股份有限公司、長(zhǎng)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(shí)，鐵道部對(duì)“中國(guó)科學(xué)院先進(jìn)軌道交通力學(xué)研究中心”給予了全力支持，將為開(kāi)展相關(guān)研究工作提供高速列車、高速線路及行業(yè)部門(mén)協(xié)調(diào)等必要的研究環(huán)境與條件。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(guó)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。本項(xiàng)目是國(guó)家的重大戰(zhàn)略需求，其先進(jìn)性、引領(lǐng)性研究成果是占據(jù)未來(lái)高速列車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)，因此該項(xiàng)目的成果與知識(shí)產(chǎn)權(quán)將統(tǒng)一組織安排。四、年度計(jì)劃年度研究?jī)?nèi)容預(yù)期目標(biāo)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(wèn)題研究的理論、實(shí)驗(yàn)與技術(shù)策略。7. 基于可壓縮流動(dòng)模型，針對(duì)非定常流動(dòng)，開(kāi)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。8. 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。9. 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；10. 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。11. 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。1. 形成國(guó)內(nèi)高速列車速度提升主要制約因素研究分析報(bào)告，高速列車既有成果的總結(jié)分析報(bào)告；形成以了解輪軌、弓網(wǎng)、流固三個(gè)耦合激勵(lì)源為主線，表征這三方面耦合振動(dòng)特性為目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證圍繞這三個(gè)因素建立的高速列車極速極限速度理論模型。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。3. 建立能夠精確模擬高速列車底部流動(dòng)的數(shù)值方法。分析單車和兩車交會(huì)壓力波形成機(jī)理，提煉壓力波影響要素。掌握高速列車多尺度幾何特性對(duì)氣動(dòng)阻力的影響機(jī)理。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。5. 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。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。7. 發(fā)表學(xué)術(shù)論文10篇；培養(yǎng)碩士研究生10名。第二年5. 開(kāi)展時(shí)速500公里實(shí)車線路試驗(yàn)，通過(guò)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。6. 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。7. 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。8. 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。1. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定不同速度條件下列車運(yùn)行阻力與速度的關(guān)系，揭示氣動(dòng)升力和側(cè)向力大小、方向隨速度增加的變化規(guī)律。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到氣動(dòng)載荷、輪軌振動(dòng)與輪軌作用力、弓網(wǎng)振動(dòng)在100-500公里范圍內(nèi)的特征。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。確定高速列車隧道壓力波的主要影響因素，歸納出阻塞比、舒適性三者之間的關(guān)系。建立復(fù)雜氣流激擾下氣動(dòng)載荷與車體振動(dòng)及局部振動(dòng)特性的關(guān)系。3. 完成時(shí)速500公里條件下， 考慮滾動(dòng)/滑動(dòng)、接觸/分離特征的輪軌三維彈性滾動(dòng)接觸模型。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。完成高能束流非均勻改性裝置改造，使其能夠加工處理時(shí)速500公里列車輪對(duì)。4. 構(gòu)建輪對(duì)、構(gòu)架振動(dòng)規(guī)律和頻譜特征。初步提出列車、線路等各子系統(tǒng)間的耦合關(guān)系及其表征方法，高速輪軌系統(tǒng)各種不平順激擾的描述方法。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;確定弓網(wǎng)系統(tǒng)的高速氣流特征;探明快速變化的接觸網(wǎng)電壓與負(fù)荷等因素對(duì)電弧的影響; 形成受電弓風(fēng)洞試驗(yàn)報(bào)告。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)極限速度理論模型需從黏著、輪軌、氣動(dòng)、弓網(wǎng)關(guān)系等方面需要進(jìn)一步進(jìn)行的試驗(yàn)研究。7. 發(fā)表學(xué)術(shù)論文20篇；培養(yǎng)碩士研究生10名，博士生5名。第三年6. 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(guò)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。7. 完善數(shù)值仿真程序，全面開(kāi)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)。8. 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。9. 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。10. 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。1. 剖析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，解耦氣動(dòng)載荷、輪軌振動(dòng)與輪軌作用力、弓網(wǎng)振動(dòng)在不同速度段對(duì)整車振動(dòng)的影響。2. 掌握高速列車與地面復(fù)雜形貌下的氣流的流動(dòng)現(xiàn)象以及渦流狀態(tài)，揭示單車通過(guò)隧道和隧道內(nèi)交會(huì)等情形下，不同時(shí)刻隧道內(nèi)氣動(dòng)參數(shù)的分布與變化規(guī)律及壓縮波與膨脹波的傳播。3. 建立強(qiáng)側(cè)風(fēng)隧道交匯等強(qiáng)氣流激擾下氣動(dòng)載荷與車體振動(dòng)及局部振動(dòng)特性的關(guān)系；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；4. 發(fā)現(xiàn)超高速運(yùn)行條件下輪軌接觸點(diǎn)軌跡/斑和輪軌蠕滑率/力的變化規(guī)律。輪軌表面粗糙度和輪軌材料的表面性能對(duì)輪軌黏著特性的影響規(guī)律曲線。單節(jié)車多輪對(duì)黏著同步控制策略和制動(dòng)極限值。通過(guò)輪軌表面高能束流非均勻改性1:1臺(tái)架試驗(yàn)研究，為線路實(shí)驗(yàn)提供依據(jù)。5. 完成基于輪軌振動(dòng)與載荷演化得到的高速列車運(yùn)行穩(wěn)定性及運(yùn)行平穩(wěn)性研究報(bào)告。完善利用輪軌激勵(lì)邊界條件與實(shí)車測(cè)量振動(dòng)數(shù)據(jù)高速列車進(jìn)行運(yùn)行模態(tài)分析的方法；給出運(yùn)行速度對(duì)列車動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律。6. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)中的弓網(wǎng)振動(dòng)特性，揭示接觸網(wǎng)波速的最佳利用率和利用極限；確定接觸網(wǎng)不平順、車體振動(dòng)對(duì)弓網(wǎng)隨機(jī)振動(dòng)特性的影響規(guī)律；給出合理的弓網(wǎng)流固耦合方式和加載方法；辨識(shí)非線性吊弦對(duì)弓網(wǎng)耦合振動(dòng)特性的影響比重；建立強(qiáng)氣流場(chǎng)下電弧動(dòng)態(tài)模型，揭示弓網(wǎng)電弧在不同氣流場(chǎng)下的形貌特征及等離子狀態(tài)；形成受電弓氣動(dòng)特性試驗(yàn)研究報(bào)告；形成接觸網(wǎng)振動(dòng)及波動(dòng)傳播試驗(yàn)研究報(bào)告。7. 建立單一因素（氣動(dòng)、輪軌、弓網(wǎng)）決定的高速列車極限速度模型。構(gòu)建各因素耦合條件下，滿足系統(tǒng)整體性能的高速列車技術(shù)極限速度研究模型。8. 發(fā)表學(xué)術(shù)論文30篇；培養(yǎng)碩士研究生20名，博士生10名。第四年5. 通過(guò)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。6. 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(kāi)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。7. 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；8. 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。1. 建立氣動(dòng)載荷、輪軌振動(dòng)與輪軌作用力、弓網(wǎng)振動(dòng)對(duì)整車平穩(wěn)性及舒適性的影響的理論模型。2. 揭示列車各車廂氣動(dòng)升力和橫向力大小、方向隨速度增加的變化規(guī)律。確定單列車通過(guò)隧道和隧道內(nèi)兩列車交會(huì)等情形下，不同列車和隧道參數(shù)對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)參數(shù)的分布和變化規(guī)律的影響。3. 獲取輪軌氣動(dòng)等多種激擾下車體結(jié)構(gòu)振動(dòng)及局部振動(dòng)規(guī)律，闡明各激擾對(duì)振動(dòng)的影響范圍；揭示時(shí)速500公里條件下的高速列車整車動(dòng)力學(xué)演化規(guī)律。 4. 確定出時(shí)速500km條件下輪軌粗糙度安全容限，輪軌模態(tài)和噪聲輻射規(guī)律；超高速運(yùn)行條件下，輪軌黏著特性曲線；三維條件下輪軌黏著特性曲線理論和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比；多節(jié)車黏著控制和安全制動(dòng)極限初步策略；探索輪式列車的速度極限。5. 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；確定軌道-車體-弓網(wǎng)系統(tǒng)間振動(dòng)傳遞規(guī)律；揭示弓網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)、接觸副廓型對(duì)弓網(wǎng)接觸特性的影響規(guī)律；找出弓網(wǎng)接觸壓力、接觸副廓型、弓網(wǎng)接觸斑形貌與接觸電阻的關(guān)系；形成弓網(wǎng)受流性能線路試驗(yàn)研究報(bào)告6. 提出在耦合條件下基于輪軌、弓網(wǎng)、流固三大耦合關(guān)系的高速列車技術(shù)極限速度的分析報(bào)告及理論模型。7. 發(fā)表學(xué)術(shù)論文50篇；培養(yǎng)碩士研究生30名，博士研究生15名；申請(qǐng)專利1-2項(xiàng)。第五年7. 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。8. 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。9. 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。10. 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。11. 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。12. 探索大系統(tǒng)耦合條件下高速列車的技術(shù)極限速度1. 建立高速列車從時(shí)速100公里到500公里這一范圍內(nèi)氣動(dòng)載荷、輪軌振動(dòng)與輪軌作用力、以及弓網(wǎng)振動(dòng)特性的數(shù)據(jù)庫(kù)，建立圍繞時(shí)速500公里列車所得到的綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告、論文數(shù)據(jù)庫(kù)。完善在氣動(dòng)載荷、輪軌振動(dòng)與輪軌作用力、弓網(wǎng)振動(dòng)耦合作用下的技術(shù)極限速度模型。2. 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)境友好性的影響評(píng)估關(guān)系。數(shù)值研究探尋高速列車氣動(dòng)阻力隨速度的突變點(diǎn)，研究和辨識(shí)高速列車的氣動(dòng)阻力分布，為高速列車減阻設(shè)計(jì)提供依據(jù)。揭示列車速度、阻塞比、列車長(zhǎng)度、隧道長(zhǎng)度、線間距、車內(nèi)外壓差、氣動(dòng)里等參數(shù)之間的影響關(guān)系及主次關(guān)系。3. 揭示局部結(jié)構(gòu)顫振、屈曲發(fā)生條件和機(jī)理；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；揭示氣動(dòng)激擾下的高速列車臨界速度。4. 揭示輪軌材料表面特性對(duì)輪軌高速滾動(dòng)接觸行為影響，建立高速輪軌黏著理論；完成高速輪軌黏著試驗(yàn)，輪軌界面激光毛化增黏研究，輪軌黏著最佳控制研究并形成相應(yīng)報(bào)告；5. 形成考慮多種因素的列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性、舒適性的分析方法；揭示車體在各種激擾下的振動(dòng)規(guī)律，部結(jié)構(gòu)疲勞發(fā)生條件和機(jī)理；完善相關(guān)列車動(dòng)力響應(yīng)與穩(wěn)定性分析模型與方法。6. 識(shí)別不同氣流特征對(duì)弓網(wǎng)接觸特性及受流質(zhì)量的影響規(guī)律；掌握弓網(wǎng)帶弧受流的工作機(jī)理，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；完成高速滑動(dòng)、跳動(dòng)下電弧本體及周邊環(huán)境溫度場(chǎng)計(jì)算；揭示各種影響因素對(duì)弓網(wǎng)受流質(zhì)量的影響規(guī)律。7. 形成高速列車技術(shù)極限速度的分析方法和安全邊界設(shè)定原則，形成技術(shù)規(guī)范；完成耦合條件下高速列車技術(shù)極限手段的研究成果報(bào)告。8. 發(fā)表學(xué)術(shù)論文70篇；培養(yǎng)碩士研究生10名，博士研究生10名；申請(qǐng)專利3-5項(xiàng)。一、研究?jī)?nèi)容(一) 擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題在最高時(shí)速500公里條件下開(kāi)展運(yùn)營(yíng)環(huán)境下的基礎(chǔ)理論研究是當(dāng)今世界高速鐵路界尚未深入探索的領(lǐng)域，一些傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)的力學(xué)現(xiàn)象與行為，在此條件下會(huì)有怎樣的變化和特性，它的近似極限狀態(tài)又是如何？這些力學(xué)現(xiàn)象和行為對(duì)列車運(yùn)行的安全性、平穩(wěn)性與舒適性影響又是如何？是各高速列車技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家普遍關(guān)注的重大基礎(chǔ)命題，也是這一領(lǐng)域研究的制高點(diǎn)。本項(xiàng)目將在高速列車再創(chuàng)新取得系列成果基礎(chǔ)上，依托時(shí)速500公里高速試驗(yàn)列車這一世界一流的試驗(yàn)平臺(tái)，組織國(guó)內(nèi)高水平的研究單位和優(yōu)勢(shì)企業(yè)，開(kāi)展時(shí)速500公里條件下的高速列車關(guān)鍵力學(xué)問(wèn)題研究，揭示其影響因素和規(guī)律，探索高速列車系統(tǒng)運(yùn)行的臨界點(diǎn)和極限值，從更高的視野來(lái)認(rèn)識(shí)和延拓高速列車基礎(chǔ)力學(xué)問(wèn)題在不同速度域的一般規(guī)律及其對(duì)高速列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性和舒適性的影響；提升我國(guó)高速列車的基礎(chǔ)理論水平，搶占制高點(diǎn)，成為高速列車技術(shù)的領(lǐng)跑者，同時(shí)為我國(guó)更高運(yùn)營(yíng)速度高速列車的研制提供理論基礎(chǔ)儲(chǔ)備。為此，本項(xiàng)目擬圍繞以下四個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展研究：1、 時(shí)速500公里條件下高速列車流固耦合關(guān)系列車在貼近地面的高湍流度環(huán)境中運(yùn)行，受到地面效應(yīng)的明顯影響。尤其是列車高速運(yùn)行時(shí)，車體底部與軌道間流場(chǎng)結(jié)構(gòu)隨速度增加產(chǎn)生非定常演變，導(dǎo)致地面效應(yīng)極為復(fù)雜，而復(fù)雜地面效應(yīng)誘導(dǎo)的強(qiáng)氣動(dòng)激擾對(duì)車體結(jié)構(gòu)、弓網(wǎng)、整車動(dòng)力學(xué)等均會(huì)產(chǎn)生很大影響，進(jìn)而危害列車運(yùn)行安全性和乘坐舒適性。高速列車本身外型特征是長(zhǎng)細(xì)比很大，且運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，尤其在雨雪沙以及強(qiáng)側(cè)風(fēng)等惡劣氣候環(huán)境下，使得高速列車表面湍流邊界層的發(fā)展極不穩(wěn)定，導(dǎo)致高速列車氣動(dòng)力特性和列車擺動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生明顯變化，進(jìn)而影響列車運(yùn)行安全性。隨著運(yùn)行速度的提高，高速列車氣動(dòng)噪聲急劇增大，成為高速列車主要噪聲源，影響鐵路周圍環(huán)境和車內(nèi)乘客乘坐舒適性。因此，采用數(shù)值仿真、動(dòng)模型試驗(yàn)、實(shí)車線路試驗(yàn)等方法，研究時(shí)速500公里時(shí)復(fù)雜氣動(dòng)效應(yīng)下的高速列車流場(chǎng)、氣動(dòng)力及尾車擺動(dòng)等隨列車速度變化的特性和規(guī)律，以及高速列車氣動(dòng)效應(yīng)與運(yùn)行安全性的關(guān)系等亟待解決的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，研究成果可為高速列車運(yùn)行安全性、乘坐舒適性和節(jié)能環(huán)保性提供堅(jiān)實(shí)的理論保障。隨著列車運(yùn)行速度的提高，氣流擾動(dòng)增強(qiáng)，聲振耦合關(guān)系更加復(fù)雜，不僅對(duì)高速列車的非線性運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性帶來(lái)更加復(fù)雜的影響，同時(shí)還有對(duì)高速列車運(yùn)行姿態(tài)和乘坐舒適性的影響。研究時(shí)速500公里條件下，不同氣流激擾形式作用的車輛結(jié)構(gòu)振動(dòng)規(guī)律，探明結(jié)構(gòu)模態(tài)與振動(dòng)、動(dòng)應(yīng)力及噪聲之間的映射關(guān)系，是車體振動(dòng)研究新的復(fù)雜命題。探索各種復(fù)雜因素對(duì)高速列車運(yùn)行安全性的影響規(guī)律，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)高速列車運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，為提高列車安全性和乘坐舒適性提供理論依據(jù)。2、 時(shí)速500公里條件下高速列車輪軌關(guān)系列車在高速運(yùn)行時(shí)，輪軌的低黏著和強(qiáng)激擾振動(dòng)是輪軌滾動(dòng)的基本特征。車輪滾動(dòng)伴以頻繁的滑動(dòng)和跳動(dòng)現(xiàn)象是對(duì)傳統(tǒng)輪軌滾動(dòng)接觸的理論挑戰(zhàn)。過(guò)去假設(shè)輪對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)輪軌永遠(yuǎn)處于接觸狀態(tài)的擬靜態(tài)輪對(duì)脫軌安全準(zhǔn)則不再適用，需要研究輪對(duì)超高速運(yùn)行條件下，各種潛在不規(guī)則因素激發(fā)輪軌頻繁分離/接觸行為和動(dòng)態(tài)脫軌安全判據(jù)；研究輪軌頻繁分離/接觸導(dǎo)致列車整體黏著效果下降而引起的列車牽引力和制動(dòng)力下降，輪軌擦傷以及安全問(wèn)題；研究掌握輪軌接觸斑表面形貌對(duì)輪軌滾滑接觸的影響規(guī)律，探明第三介質(zhì)對(duì)輪軌黏著與接觸振動(dòng)的影響，確定時(shí)速500公里條件下的輪軌間的黏著特性和黏著極限；高速列車高速運(yùn)行，線路不平順激擾加劇，氣流擾動(dòng)增強(qiáng)，聲振耦合關(guān)系復(fù)雜，研究輪對(duì)周長(zhǎng)、無(wú)砟軌道板長(zhǎng)、鋼軌定長(zhǎng)、橋跨長(zhǎng)度等的周期激擾對(duì)列車振動(dòng)的影響，研究更高速度條件下高速列車輪軌噪聲的產(chǎn)生和傳播特性，是基于輪軌動(dòng)力學(xué)分析列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性和舒適性的基礎(chǔ)。3、 時(shí)速500公里條件下高速列車弓網(wǎng)關(guān)系隨著最高運(yùn)行時(shí)速的不斷提升，受電弓運(yùn)行速度逼近接觸網(wǎng)的波動(dòng)速度，接觸網(wǎng)波動(dòng)使得弓網(wǎng)耦合振動(dòng)發(fā)生突變，弓網(wǎng)滑動(dòng)向滑跳運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化，弓網(wǎng)電噪聲明顯增大，以至于傳統(tǒng)的弓網(wǎng)理論無(wú)法表征其新的運(yùn)動(dòng)行為。研究不同類型接觸網(wǎng)的波動(dòng)特征和弓網(wǎng)耦合振動(dòng)行為，探究弓網(wǎng)在高速滑動(dòng)和跳動(dòng)接觸行為下弓網(wǎng)電接觸特性和燃弧規(guī)律，是解決高速受流問(wèn)題的基礎(chǔ)，也是亟待研究的科學(xué)問(wèn)題。4、 探索大系統(tǒng)耦合條件下高速列車技術(shù)極限速度高速列車技術(shù)極限速度是衡量高速列車發(fā)展水平的重要標(biāo)志。耦合條件下氣動(dòng)技術(shù)極限速度、耦合條件下輪軌技術(shù)極限速度以及耦合條件下弓網(wǎng)技術(shù)極限速度任何一個(gè)都不代表整車實(shí)際極限速度。為此，需要在以上三個(gè)因素決定的技術(shù)極限速度基礎(chǔ)上，通過(guò)進(jìn)一步的理論和實(shí)驗(yàn)，考慮三方面的優(yōu)化匹配，探索大系統(tǒng)耦合條件下高速列車技術(shù)極限速度。(二) 主要研究?jī)?nèi)容圍繞本項(xiàng)目的研究目標(biāo)，依托運(yùn)營(yíng)環(huán)境下的500km/h高速試驗(yàn)列車試驗(yàn)平臺(tái)，在凝煉影響高速列車運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性和舒適性的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，開(kāi)展如下研究：1. 時(shí)速500公里條件下高速列車氣動(dòng)效應(yīng)研究（1）復(fù)雜地面效應(yīng)下高速列車底部流場(chǎng)特性及演變機(jī)理研究復(fù)雜地面效應(yīng)下高速列車的底部流場(chǎng)十分復(fù)雜。首先，其底部存在轉(zhuǎn)向架等外形復(fù)雜的部件，導(dǎo)致氣流發(fā)生復(fù)雜的分離流動(dòng)，甚至產(chǎn)生非定常效應(yīng)；其次，車輪前行時(shí)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)流經(jīng)列車底部的空氣產(chǎn)生強(qiáng)誘導(dǎo)作用，加劇了底部流場(chǎng)里的旋渦流動(dòng)；再者，在地面復(fù)雜形貌的影響下，高速列車底部與地面的氣動(dòng)相互作用，對(duì)底部氣流產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣動(dòng)激擾。三種效應(yīng)疊加在一起，使得空氣流經(jīng)列車底部時(shí)產(chǎn)生復(fù)雜的旋渦流動(dòng)，且隨列車速度的提高流場(chǎng)變化更為劇烈。本課題試驗(yàn)研究通過(guò)時(shí)速500公里高速試驗(yàn)列車實(shí)車線路試驗(yàn)，測(cè)取底板、轉(zhuǎn)向架區(qū)域、裙板、部分線路等處的壓力分布。數(shù)值研究建立能夠精確模擬高速列車底部流動(dòng)的數(shù)值方法，對(duì)復(fù)雜地面效應(yīng)下高速列車底部流動(dòng)開(kāi)展非定常數(shù)值模擬，捕捉底部旋渦的產(chǎn)生與演變特性，研究不同車速下列車底部旋轉(zhuǎn)與非旋轉(zhuǎn)部件對(duì)底部流動(dòng)的干擾機(jī)理。綜合分析試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，掌握高速列車與地面復(fù)雜形貌下的氣流的流動(dòng)現(xiàn)象以及渦流狀態(tài)，探明地面效應(yīng)作用下的特殊渦流的形成機(jī)制，揭示車體底部與軌道間流場(chǎng)結(jié)構(gòu)隨速度增加產(chǎn)生的非定常演變規(guī)律，探討其對(duì)列車氣動(dòng)力特性的非定常影響。（2）高速列車氣動(dòng)力分布特性研究時(shí)速500公里高速列車的氣動(dòng)力特性研究對(duì)高速列車節(jié)能減阻設(shè)計(jì)、進(jìn)一步提高列車運(yùn)行速度有重要意義，也具有一定挑戰(zhàn)。一方面，高速列車的氣動(dòng)外形比較復(fù)雜，其本身具有長(zhǎng)、寬、高尺度的銳變特征，又存在轉(zhuǎn)向架、弓網(wǎng)等外形復(fù)雜的部件。另一方面，高速列車行駛在地面高湍流度的大氣環(huán)境內(nèi)，受到各種干擾，如地面軌道和建筑物的干擾、列車不同部件間的相互干擾等。這些特點(diǎn)使得高速列車的氣動(dòng)力變化的有其特殊的規(guī)律和機(jī)理。本課題數(shù)值模擬方面，建立多尺度復(fù)雜幾何外形的高質(zhì)量網(wǎng)格生成方法和精確數(shù)值模擬方法，研究高速列車的多尺度特性對(duì)壓差阻力和摩擦阻力的影響機(jī)理。對(duì)不同車速下高速列車的氣動(dòng)阻力開(kāi)展參數(shù)研究，確定列車氣動(dòng)阻力與速度的關(guān)系。試驗(yàn)研究方面，在動(dòng)模型試驗(yàn)平臺(tái)研究時(shí)速500公里條件下列車氣動(dòng)力的試驗(yàn)方法，測(cè)得不同速度條件下高速列車模型的氣動(dòng)力力。通過(guò)線路實(shí)車試驗(yàn)測(cè)得不同速度條件下時(shí)速500公里高速試驗(yàn)列車的總阻力?？偨Y(jié)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，確定時(shí)速500公里條件下的列車運(yùn)行阻力與速度的關(guān)系，研究高速列車全速度域的氣動(dòng)阻力特性，探索氣動(dòng)升力和側(cè)向力大小、方向隨速度增加的變化規(guī)律，為在時(shí)速500公里條件下減小列車氣動(dòng)阻力、控制氣動(dòng)升力、側(cè)向力和氣動(dòng)載荷，進(jìn)而保證高速列車安全運(yùn)行提供理論支撐。（3）高速列車尾部復(fù)雜流場(chǎng)特性和產(chǎn)生機(jī)理研究高速列車是運(yùn)行在地面軌道上的、外形細(xì)長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)物體，氣流沿列車表面的發(fā)展受到列車表面凸起物（如受電弓）、表面不平順（如車間間隙、轉(zhuǎn)向架區(qū)域等）、線路旁設(shè)備（如車站、建筑物等）、地面條件等的影響，到列車尾部流場(chǎng)和旋渦發(fā)展的非常復(fù)雜，流場(chǎng)非線性發(fā)展和旋渦脫落產(chǎn)生非定常氣動(dòng)升力、側(cè)向力和氣動(dòng)干擾力等，造成列車尾擺等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)影響列車運(yùn)行穩(wěn)定和安全。本課題在高速列車數(shù)值仿真、時(shí)速500公里高速試驗(yàn)列車線路試驗(yàn)、動(dòng)模型試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，研究高速列車外型大長(zhǎng)細(xì)比特征下的高速氣流在高速列車表面湍流邊界層的發(fā)展機(jī)理，探討高速列車表面湍流邊界層隨機(jī)不穩(wěn)定發(fā)展的規(guī)律；研究細(xì)長(zhǎng)列車尾車的渦流狀態(tài)，以及旋渦脫落時(shí)的氣動(dòng)擾動(dòng)力；獲得高速列車因列車表面湍流、尾部渦流及地面效應(yīng)帶來(lái)的、影響列車運(yùn)行姿態(tài)和安全性的氣動(dòng)升力和側(cè)向力，以及在不同速度條件下對(duì)氣動(dòng)升力和側(cè)向力的貢獻(xiàn)率，保障高速列車安全運(yùn)行。（4）高速列車隧道氣動(dòng)效應(yīng)數(shù)值模擬研究高速列車通過(guò)隧道過(guò)程中，由于隧道內(nèi)空氣流動(dòng)受到隧道壁面與列車壁面的限制和空氣的可壓縮性，會(huì)引起隧道內(nèi)劇烈的瞬變壓力，形成隧道壓力波。隧道內(nèi)壓力波動(dòng)通過(guò)車體傳入車內(nèi)也會(huì)形成壓力波，造成司乘人員耳感不適等問(wèn)題。隧道壓力波作用于列車車體結(jié)構(gòu)與部件和隧道內(nèi)固定設(shè)施上也將產(chǎn)生疲勞破壞問(wèn)題。同時(shí)，高速鐵路線路上隧道大多為復(fù)線隧道，與明線上單車穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)氣動(dòng)力特點(diǎn)比較，隧道內(nèi)列車外不對(duì)稱的空氣流動(dòng)將引起氣動(dòng)力的較大不對(duì)稱變化?？梢?jiàn)，高速列車通過(guò)隧道引起的空氣流動(dòng)及壓力波動(dòng)對(duì)高速列車的運(yùn)行安全性與乘坐舒適性有較大的影響。本課題主要采用一維和三維方法進(jìn)行時(shí)速500公里高速列車隧道壓力波傳播機(jī)理、復(fù)雜波系疊加和影響因素主次關(guān)系的研究。研究單列車通過(guò)隧道全過(guò)程時(shí)，列車外和隧道內(nèi)不同區(qū)域的流動(dòng)參數(shù)分布和變化規(guī)律，以及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程；確定隧道內(nèi)壓縮波與膨脹波在車頭車尾端部形狀和隧道洞口處反射折射模式及其對(duì)流動(dòng)參數(shù)與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)相互作用等。研究隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)不同流動(dòng)區(qū)域流動(dòng)參數(shù)分布與變化規(guī)律、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)演化過(guò)程以及列車頭型對(duì)交會(huì)過(guò)程中流動(dòng)參數(shù)的影響?？紤]單列車通過(guò)隧道和兩列車隧道內(nèi)不同位置交會(huì)不同情景，建立列車速度、阻塞比、列車長(zhǎng)度、隧道長(zhǎng)度、線間距等參數(shù)與壓力波動(dòng)之間的關(guān)系，分析列車和隧道兩方面參數(shù)對(duì)列車內(nèi)外壓力波動(dòng)、車內(nèi)外壓差、舒適性等方面的影響特征；歸納出最不利運(yùn)行工況、最不利隧道長(zhǎng)度和列車長(zhǎng)度等。2. 時(shí)速500公里氣動(dòng)作用下高速列車響應(yīng)特性研究（1）復(fù)雜氣動(dòng)激擾力作用下車體結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性研究在時(shí)速500公里條件下，研究復(fù)雜氣動(dòng)激擾力與車體局部結(jié)構(gòu)的流固耦合非線性振動(dòng)特性，揭示局部結(jié)構(gòu)顫振發(fā)生條件和機(jī)理，探討局部結(jié)構(gòu)顫振引起乘坐舒適度惡化程度和對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞行為；研究車體結(jié)構(gòu)和局部結(jié)構(gòu)屈曲行為和可能造成的結(jié)構(gòu)破壞程度，揭示車體結(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。探討車體振動(dòng)對(duì)車體結(jié)構(gòu)自身安全性的影響規(guī)律。利用整車動(dòng)力學(xué)分析給出的邊界條件與實(shí)車測(cè)量振動(dòng)數(shù)據(jù)，提出列車部件振動(dòng)分析方法，揭示氣動(dòng)載荷非均勻分布對(duì)部件振動(dòng)特征的耦合影響機(jī)理，建立氣動(dòng)載荷與車輛振動(dòng)耦合作用下列車關(guān)鍵部件振動(dòng)分析模型；探討關(guān)鍵部件在整車動(dòng)力學(xué)分析建模中必須要考慮的模態(tài)，研究車體部件振動(dòng)與整車振動(dòng)特征的關(guān)聯(lián)性。（2）強(qiáng)氣流激擾下的高速列車穩(wěn)定性、平穩(wěn)性和安全性研究在時(shí)速500公里條件下，研究側(cè)向力、橫風(fēng)（側(cè)風(fēng)）、氣動(dòng)升力對(duì)列車運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，并通過(guò)定量描述各因素的作用，揭示這些因素對(duì)列車穩(wěn)定性影響的機(jī)理，定量研究主控因素的變化規(guī)律。建立考慮氣動(dòng)效應(yīng)的列車非線性穩(wěn)定性分析方法，確定氣動(dòng)激擾下的高速列車臨界速度。在時(shí)速500公里條件下，建立準(zhǔn)確反映氣動(dòng)效應(yīng)對(duì)高速列車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為影響的力學(xué)模型，研究高速氣流及強(qiáng)側(cè)風(fēng)譜（包括側(cè)風(fēng)的方向角、幅值、頻率）對(duì)高速列車運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的影響，定量分析其對(duì)高速列車頭車、中間車和尾車運(yùn)動(dòng)特性的影響規(guī)律；探索氣動(dòng)升力和側(cè)向力與高速列車輪重減載率及脫軌系數(shù)等運(yùn)行安全性參數(shù)的關(guān)系。研究在列車高速交會(huì)、通過(guò)隧道、尤其是隧道交會(huì)等極端情況下高速列車平穩(wěn)性和安全性。3. 時(shí)速500公里條件下高速列車輪軌接觸行為與黏著機(jī)理研究（1）輪軌滾動(dòng)-滑動(dòng)行為研究在時(shí)速500公里條件下， 建立考慮滾動(dòng)、滑動(dòng)特征的高速輪軌滾動(dòng)接觸模型，考慮輪軌高速慣性、接觸振動(dòng)、接觸表面形貌的影響；借助于含輪軌剛?cè)崮Ｐ偷能囕v軌道耦合大系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型和相應(yīng)的數(shù)值方法， 分析輪軌接觸點(diǎn)軌跡/斑和輪軌蠕滑率/力的變化規(guī)律；研究車速輪軌表面不平順度（波深與波長(zhǎng)之比）輪軌接觸/分離時(shí)間比例的關(guān)系規(guī)律， 確定不同速度等級(jí)安全運(yùn)行條件下的輪軌表面不平順度閾值；分析輪軌表面各種可能的粗糙度譜激發(fā)出的輪軌模態(tài)、輪軌模態(tài)對(duì)輪軌噪聲的貢獻(xiàn)情況，以及輪軌噪聲形成的機(jī)理。（2）高速輪軌黏著機(jī)理研究在時(shí)速500公里條件下，借助彈塑性微觀形貌接觸理論、彈流（“第三介質(zhì)”）理論、彈塑性滾動(dòng)接觸理論等建立新的輪軌滾滑黏著模型和理論，研究輪軌在高速滾動(dòng)接觸狀態(tài)下，接觸表面的剪切行為。借助于時(shí)速500公里高速輪軌滾動(dòng)接觸試驗(yàn)裝置進(jìn)行單個(gè)因素或多個(gè)因素耦合情況下的黏著特性研究， 主要試驗(yàn)因素包括超高速滾滑速度、輪軌的表面形貌、輪軌間第三介質(zhì)、材料的表面性能，從而探索時(shí)速