1、项目名称： 时速 500 公里条件下的高速列车基础力学问题研究首席科学家： 杨国伟 中国科学院力学研究所起止年限： 2010.9 至 2015.9依托部门： 铁道部 中国科学院一、研究内容(一) 拟解决的关键科学问题在最高时速 500 公里条件下开展运营环境下的基础理论研究是当今世界高速铁路界尚未深入探索的领域，一些传统认识的力学现象与行为，在此条件下会有怎样的变化和特性，它的近似极限状态又是如何？这些力学现象和行为对列车运行的安全性、平稳性与舒适性影响又是如何？是各高速列车技术发达国家普遍关注的重大基础命题，也是这一领域研究的制高点。本项目将在高速列车再创新取得系列成果基础上，依托时速 50
2、0 公里高速试验列车这一世界一流的试验平台，组织国内高水平的研究单位和优势企业，开展时速 500 公里条件下的高速列车关键力学问题研究，揭示其影响因素和规律，探索高速列车系统运行的临界点和极限值，从更高的视野来认识和延拓高速列车基础力学问题在不同速度域的一般规律及其对高速列车运行安全性、平稳性和舒适性的影响；提升我国高速列车的基础理论水平，抢占制高点，成为高速列车技术的领跑者，同时为我国更高运营速度高速列车的研制提供理论基础储备。为此，本项目拟围绕以下四个基础科学问题开展研究：1、 时速 500 公里条件下高速列车流固耦合关系列车在贴近地面的高湍流度环境中运行，受到地面效应的明显影响。尤其是列
3、车高速运行时，车体底部与轨道间流场结构随速度增加产生非定常演变，导致地面效应极为复杂，而复杂地面效应诱导的强气动激扰对车体结构、弓网、整车动力学等均会产生很大影响，进而危害列车运行安全性和乘坐舒适性。高速列车本身外型特征是长细比很大，且运行环境复杂，尤其在雨雪沙以及强侧风等恶劣气候环境下，使得高速列车表面湍流边界层的发展极不稳定，导致高速列车气动力特性和列车摆动现象发生明显变化，进而影响列车运行安全性。随着运行速度的提高，高速列车气动噪声急剧增大，成为高速列车主要噪声源，影响铁路周围环境和车内乘客乘坐舒适性。因此，采用数值仿真、动模型试验、实车线路试验等方法，研究时速 500 公里时复杂气动效
4、应下的高速列车流场、气动力及尾车摆动等随列车速度变化的特性和规律，以及高速列车气动效应与运行安全性的关系等亟待解决的关键基础科学问题，研究成果可为高速列车运行安全性、乘坐舒适性和节能环保性提供坚实的理论保障。随着列车运行速度的提高，气流扰动增强，声振耦合关系更加复杂，不仅对高速列车的非线性运动稳定性带来更加复杂的影响，同时还有对高速列车运行姿态和乘坐舒适性的影响。研究时速 500 公里条件下，不同气流激扰形式作用的车辆结构振动规律，探明结构模态与振动、动应力及噪声之间的映射关系，是车体振动研究新的复杂命题。探索各种复杂因素对高速列车运行安全性的影响规律，准确预测高速列车运动姿态，为提高列车安全
5、性和乘坐舒适性提供理论依据。2、 时速 500 公里条件下高速列车轮轨关系列车在高速运行时，轮轨的低黏着和强激扰振动是轮轨滚动的基本特征。车轮滚动伴以频繁的滑动和跳动现象是对传统轮轨滚动接触的理论挑战。过去假设轮对运动时轮轨永远处于接触状态的拟静态轮对脱轨安全准则不再适用，需要研究轮对超高速运行条件下，各种潜在不规则因素激发轮轨频繁分离/接触行为和动态脱轨安全判据；研究轮轨频繁分离/ 接触导致列车整体黏着效果下降而引起的列车牵引力和制动力下降，轮轨擦伤以及安全问题；研究掌握轮轨接触斑表面形貌对轮轨滚滑接触的影响规律，探明第三介质对轮轨黏着与接触振动的影响，确定时速 500 公里条件下的轮轨间的
6、黏着特性和黏着极限；高速列车高速运行，线路不平顺激扰加剧，气流扰动增强，声振耦合关系复杂，研究轮对周长、无砟轨道板长、钢轨定长、桥跨长度等的周期激扰对列车振动的影响，研究更高速度条件下高速列车轮轨噪声的产生和传播特性，是基于轮轨动力学分析列车运行安全性、平稳性和舒适性的基础。3、 时速 500 公里条件下高速列车弓网关系随着最高运行时速的不断提升，受电弓运行速度逼近接触网的波动速度，接触网波动使得弓网耦合振动发生突变，弓网滑动向滑跳运动转化，弓网电噪声明显增大，以至于传统的弓网理论无法表征其新的运动行为。研究不同类型接触网的波动特征和弓网耦合振动行为，探究弓网在高速滑动和跳动接触行为下弓网电接
7、触特性和燃弧规律，是解决高速受流问题的基础，也是亟待研究的科学问题。4、 探索大系统耦合条件下高速列车技术极限速度高速列车技术极限速度是衡量高速列车发展水平的重要标志。耦合条件下气动技术极限速度、耦合条件下轮轨技术极限速度以及耦合条件下弓网技术极限速度任何一个都不代表整车实际极限速度。为此，需要在以上三个因素决定的技术极限速度基础上，通过进一步的理论和实验，考虑三方面的优化匹配，探索大系统耦合条件下高速列车技术极限速度。(二) 主要研究内容围绕本项目的研究目标，依托运营环境下的 500km/h 高速试验列车试验平台，在凝炼影响高速列车运行安全性、平稳性和舒适性的关键基础科学问题的基础上，开展如
8、下研究：1. 时速 500 公里条件下高速列车气动效应研究（1）复杂地面效应下高速列车底部流场特性及演变机理研究复杂地面效应下高速列车的底部流场十分复杂。首先，其底部存在转向架等外形复杂的部件，导致气流发生复杂的分离流动，甚至产生非定常效应；其次，车轮前行时的旋转运动对流经列车底部的空气产生强诱导作用，加剧了底部流场里的旋涡流动；再者，在地面复杂形貌的影响下，高速列车底部与地面的气动相互作用，对底部气流产生强烈的气动激扰。三种效应叠加在一起，使得空气流经列车底部时产生复杂的旋涡流动，且随列车速度的提高流场变化更为剧烈。本课题试验研究通过时速 500 公里高速试验列车实车线路试验，测取底板、转向
9、架区域、裙板、部分线路等处的压力分布。数值研究建立能够精确模拟高速列车底部流动的数值方法，对复杂地面效应下高速列车底部流动开展非定常数值模拟，捕捉底部旋涡的产生与演变特性，研究不同车速下列车底部旋转与非旋转部件对底部流动的干扰机理。综合分析试验结果和数值计算结果，掌握高速列车与地面复杂形貌下的气流的流动现象以及涡流状态，探明地面效应作用下的特殊涡流的形成机制，揭示车体底部与轨道间流场结构随速度增加产生的非定常演变规律，探讨其对列车气动力特性的非定常影响。（2）高速列车气动力分布特性研究时速 500 公里高速列车的气动力特性研究对高速列车节能减阻设计、进一步提高列车运行速度有重要意义，也具有一定
10、挑战。一方面，高速列车的气动外形比较复杂，其本身具有长、宽、高尺度的锐变特征，又存在转向架、弓网等外形复杂的部件。另一方面，高速列车行驶在地面高湍流度的大气环境内，受到各种干扰，如地面轨道和建筑物的干扰、列车不同部件间的相互干扰等。这些特点使得高速列车的气动力变化的有其特殊的规律和机理。本课题数值模拟方面，建立多尺度复杂几何外形的高质量网格生成方法和精确数值模拟方法，研究高速列车的多尺度特性对压差阻力和摩擦阻力的影响机理。对不同车速下高速列车的气动阻力开展参数研究，确定列车气动阻力与速度的关系。试验研究方面，在动模型试验平台研究时速 500 公里条件下列车气动力的试验方法，测得不同速度条件下高
11、速列车模型的气动力力。通过线路实车试验测得不同速度条件下时速 500 公里高速试验列车的总阻力。总结试验和数值模拟结果，确定时速 500 公里条件下的列车运行阻力与速度的关系，研究高速列车全速度域的气动阻力特性，探索气动升力和侧向力大小、方向随速度增加的变化规律，为在时速 500 公里条件下减小列车气动阻力、控制气动升力、侧向力和气动载荷，进而保证高速列车安全运行提供理论支撑。（3）高速列车尾部复杂流场特性和产生机理研究高速列车是运行在地面轨道上的、外形细长的运动物体，气流沿列车表面的发展受到列车表面凸起物（如受电弓） 、表面不平顺（如车间间隙、转向架区域等） 、线路旁设备（如车站、建筑物等）
12、 、地面条件等的影响，到列车尾部流场和旋涡发展的非常复杂，流场非线性发展和旋涡脱落产生非定常气动升力、侧向力和气动干扰力等，造成列车尾摆等现象，严重时影响列车运行稳定和安全。本课题在高速列车数值仿真、时速 500 公里高速试验列车线路试验、动模型试验研究的基础上，研究高速列车外型大长细比特征下的高速气流在高速列车表面湍流边界层的发展机理，探讨高速列车表面湍流边界层随机不稳定发展的规律；研究细长列车尾车的涡流状态，以及旋涡脱落时的气动扰动力；获得高速列车因列车表面湍流、尾部涡流及地面效应带来的、影响列车运行姿态和安全性的气动升力和侧向力，以及在不同速度条件下对气动升力和侧向力的贡献率，保障高速列
13、车安全运行。（4）高速列车隧道气动效应数值模拟研究高速列车通过隧道过程中，由于隧道内空气流动受到隧道壁面与列车壁面的限制和空气的可压缩性，会引起隧道内剧烈的瞬变压力，形成隧道压力波。隧道内压力波动通过车体传入车内也会形成压力波，造成司乘人员耳感不适等问题。隧道压力波作用于列车车体结构与部件和隧道内固定设施上也将产生疲劳破坏问题。同时，高速铁路线路上隧道大多为复线隧道，与明线上单车稳态运行时气动力特点比较，隧道内列车外不对称的空气流动将引起气动力的较大不对称变化。可见，高速列车通过隧道引起的空气流动及压力波动对高速列车的运行安全性与乘坐舒适性有较大的影响。本课题主要采用一维和三维方法进行时速 5
14、00 公里高速列车隧道压力波传播机理、复杂波系叠加和影响因素主次关系的研究。研究单列车通过隧道全过程时，列车外和隧道内不同区域的流动参数分布和变化规律，以及流场结构的演化过程；确定隧道内压缩波与膨胀波在车头车尾端部形状和隧道洞口处反射折射模式及其对流动参数与流场结构相互作用等。研究隧道内交会时不同流动区域流动参数分布与变化规律、流场结构演化过程以及列车头型对交会过程中流动参数的影响。考虑单列车通过隧道和两列车隧道内不同位置交会不同情景，建立列车速度、阻塞比、列车长度、隧道长度、线间距等参数与压力波动之间的关系，分析列车和隧道两方面参数对列车内外压力波动、车内外压差、舒适性等方面的影响特征；归纳
15、出最不利运行工况、最不利隧道长度和列车长度等。2. 时速 500 公里气动作用下高速列车响应特性研究（1）复杂气动激扰力作用下车体结构振动特性研究在时速 500 公里条件下，研究复杂气动激扰力与车体局部结构的流固耦合非线性振动特性，揭示局部结构颤振发生条件和机理，探讨局部结构颤振引起乘坐舒适度恶化程度和对结构的破坏行为；研究车体结构和局部结构屈曲行为和可能造成的结构破坏程度，揭示车体结构和局部结构在颤振、共振及屈曲条件下的极限承载能力。探讨车体振动对车体结构自身安全性的影响规律。利用整车动力学分析给出的边界条件与实车测量振动数据，提出列车部件振动分析方法，揭示气动载荷非均匀分布对部件振动特征的
16、耦合影响机理，建立气动载荷与车辆振动耦合作用下列车关键部件振动分析模型；探讨关键部件在整车动力学分析建模中必须要考虑的模态，研究车体部件振动与整车振动特征的关联性。（2）强气流激扰下的高速列车稳定性、平稳性和安全性研究在时速 500 公里条件下，研究侧向力、横风（侧风） 、气动升力对列车运行稳定性的影响，并通过定量描述各因素的作用，揭示这些因素对列车稳定性影响的机理，定量研究主控因素的变化规律。建立考虑气动效应的列车非线性稳定性分析方法，确定气动激扰下的高速列车临界速度。在时速 500 公里条件下，建立准确反映气动效应对高速列车系统动力学行为影响的力学模型，研究高速气流及强侧风谱（包括侧风的方
17、向角、幅值、频率）对高速列车运动姿态的影响，定量分析其对高速列车头车、中间车和尾车运动特性的影响规律；探索气动升力和侧向力与高速列车轮重减载率及脱轨系数等运行安全性参数的关系。研究在列车高速交会、通过隧道、尤其是隧道交会等极端情况下高速列车平稳性和安全性。3. 时速 500 公里条件下高速列车轮轨接触行为与黏着机理研究（1）轮轨滚动-滑动行为研究在时速 500 公里条件下， 建立考虑滚动、滑动特征的高速轮轨滚动接触模型，考虑轮轨高速惯性、接触振动、接触表面形貌的影响；借助于含轮轨刚柔模型的车辆轨道耦合大系统动力学数值模型和相应的数值方法， 分析轮轨接触点轨迹/斑和轮轨蠕滑率/ 力的变化规律；研
18、究车速轮轨表面不平顺度（波深与波长之比）轮轨接触/分离时间比例的关系规律， 确定不同速度等级安全运行条件下的轮轨表面不平顺度阈值；分析轮轨表面各种可能的粗糙度谱激发出的轮轨模态、轮轨模态对轮轨噪声的贡献情况，以及轮轨噪声形成的机理。（2）高速轮轨黏着机理研究在时速 500 公里条件下，借助弹塑性微观形貌接触理论、弹流（“第三介质”）理论、弹塑性滚动接触理论等建立新的轮轨滚滑黏着模型和理论，研究轮轨在高速滚动接触状态下，接触表面的剪切行为。借助于时速 500 公里高速轮轨滚动接触试验装置进行单个因素或多个因素耦合情况下的黏着特性研究， 主要试验因素包括超高速滚滑速度、轮轨的表面形貌、轮轨间第三介
19、质、材料的表面性能，从而探索时速 500 公里条件下的轮轨黏着规律。（3）基于轮轨表面改性的增粘机理与黏着控制方法研究以时速 500 公里高速试验列车线路试验和前期研究结果为基础， 通过计算和实验，研究车轮表面高能束流非均匀改性对时速 500 公里条件下黏着系数及其稳定性的影响、轮轨接触表面形貌优化匹配问题，建立基于轮轨表面非均匀改性的接触力学模型。探索时速 500 公里条件下的黏着控制方法。（4）轮轨黏着特性的安全利用和控制策略的研究在时速 500 公里条件下，研究高速列车不同位置轮对的轮轨黏着特性的差异及形成机理； 建立考虑列车电机功率输出特性、驱动传动特性、轮轨滚滑黏特性的轮轨黏着控制和
20、安全利用的理论分析模型，使轮轨安全（轮轨黏着效果发挥及其材料强度安全平衡机制）有效地发挥最佳黏着特性，确保列车在设定的短暂时间和距离内实现速度控制目标和安全运营。4. 时速 500 公里条件下高速列车轮轨动力学与安全特性研究依托京沪高速铁路先导试验段和铁道部正在研制的 500km/h 试验列车作试验条件和研究手段，通过试验检测、仿真分析等技术手段开展时速 500 公里条件下的高速列车中的关键力学行为对运行安全性、平稳性和舒适性的影响研究，积累相关科学研究经验，提升我国在高速列车领域的基础理论水平。（1）线路高频激励下的高速列车轮轨振动频谱特性研究在京沪高速铁路利用时速 500 公里列车进行轮轨
21、关系和运行安全性线路试验。依据轮对、构架、车体等实车振动数据和轮轨作用力数据，构建时速从 150 公里到 500 公里范围内轮对、构架振动规律和频谱特征。并结合京津城际高速铁路、武广和郑西高速铁路进行的频谱特征研究成果，提供整车动力学边界条件。研究高速列车轮轨关系、轮对、构架振动和频谱特征对运行安全性影响关系。（2）复杂高频激励下高速列车动力学性能特性研究依据线路试验数据和整车动力学边界条件，提出高速列车动力学分析方法。给合各种非线性因素（轮轨接触、悬挂、连接、路基）及耦合作用（车间耦合、线路横向和垂向耦合） ，建立高速列车运动特性的动力学模型，进行列车运行安全性、平稳性分析；在分析高架无砟高
22、速线路的结构特征和线路不平顺谱特征的基础上，研究高速列车振动传递特征，提出列车部件振动分析方法。利用整车动力学分析给出的边界条件与实车测量振动数据，研究气动力对车体振动特征的影响机理，建立气动力与车辆振动联合作用下列车关键部件振动分析模型；研究车体部件振动与整车振动特征的关联性，探索列车运行舒适性和结构可靠性。（3）非线性因素耦合作用下列车稳定性研究在时速 500 公里条件下，研究气动扰动、车辆各部件惯性作用和旋转件的陀螺效应、车间耦合、车轮初始缺陷、轨道不平顺等各种非线性因素对列车运动稳定性的影响，并通过描述各因素的作用，揭示这些因素对列车稳定性影响的机理，研究主控因素的变化规律。通过考虑多
23、种非线性因素的列车稳定性分析方法，确定高速列车的临界速度。进一步探索高速列车动态脱轨安全性。5. 时速 500 公里条件下高速列车弓网关系研究（1）高速接触网波动特征研究研究不同速度等级下的接触网波动特性和弓网振动特性，建立从低速到时速 500 公里的弓网系统动态响应谱。在研究非等波速链型结构悬索波动传播、波动分散和波动汇合振动规律的基础上，研究复杂弹性链型接触网结构的波动特征；研究不同接触网结构类型、线材和张力条件下精确的接触网波速表达形式和波动速度；研究不同波速利用率下的弓网振动特性，确定接触网波速的利用率域值；研究多弓作用下的接触网波动特性，揭示复杂波动源下接触网振动波的传播规律和干涉机
24、制。（2）高速接触网不平顺特征研究研究时速 500 公里线路上接触网不平顺数据的分析和处理方法，掌握接触网不平顺的基本特性，并建立接触网不平顺谱；研究时速 500 公里条件下接触网不平顺对弓网受流质量的影响规律，并分析与其它弓网受流影响因素之间的区别与联系；研究接触网不平顺的分类方法，确定接触线导高误差的安全域等。（3）轨道、车体、弓网系统间振动传递关系研究研究时速 500 公里超高速条件下计及车体振动时弓网耦合系统的随机振动特性；研究轨道不平顺、车体振动激扰对弓网系统随机振动的影响规律；揭示轨道-列车- 受电弓-接触网系统间的振动传递规律。（4）强气流作用下高速弓网滑动接触特征研究研究考虑接
25、触网和受电弓空间运动、系统的弹性作用和高速气流扰动的弓网系统耦合模型和数值仿真方法；研究强气流作用下弓网滑动和跳动接触的动态行为特征；研究弓网设计参数、接触副廓型对弓网接触特性及弓网接触压力的影响规律；研究受电弓双向运行的气流差异、明线和隧道的气流差异，以及不同气流特征对弓网接触特性及受流质量的影响规律。（5）高速弓网耦合振动特征研究研究高速弓网耦合系统中涉及的动力接触和非线性问题的参变量数学模型；研究高速弓网系统动力学模拟所需的高效率和高精度积分算法；研究考虑具有不同拉压刚度吊弦弓网系统的动力学非线性模拟算法；将基础理论和算法整合，开发弓网耦合系统的数值模拟程序；通过数值模拟研究弓网系统的物
26、理和几何参数对弓网耦合振动特性的影响规律。（6）高速弓网受流电接触特征研究弓网电弧发展的规律以及每一阶段的宏观与微观特性，建立描述弓网电弧的动态方程和弓网电弧时空分布模型，揭示弓网电弧产生、发展及熄灭规律；研究弓网高速滑动和跳动接触行为、强气流、电压与负荷的突变等对弓网电弧产生和发展的影响；研究弓网动态接触压力、接触副廓型、弓网接触斑形貌等对接触电阻的影响，进而研究这些因素对弓网受流质量的影响规律。（7）高速弓网试验测试及分析针对时速 500 公里运行条件下弓网系统的静态和动态性能进行测试，包括：受电弓频响特性和跟随性测试、弓网动力学匹配特性、受电弓气动特性测试、接触网振动特性测试和弓网受流性
27、能测试等，获得实际运行的参数特性；基于测得的试验数据，按不同的评估内容分类研究其对高速弓网关系的影响，验证弓网理论模型及分析结果的正确性，结合理论研究成果，合理评价弓网接触压力、硬点、离线率和接触网抬升量等各项参数。6. 高速列车耦合条件下技术极限速度研究（1）耦合条件下气动、轮轨以及弓网技术极限速度以京沪线实验为主，并利用京津，武广，郑西三条线路的先期实验结果，找到时速从 200公里到 500 公里这一范围内振动特性与气动、轮轨接触和弓网特性随速度变化的规律；发展理论模型，预测耦合条件下气动技术极限速度、轮轨技术极限速度以及弓网技术极限速度。（2）大系统耦合条件下高速列车技术极限速度基于轮轨
28、耦合振动对轮轨黏着特性、结构可靠性、轮轨安全性以及蛇行失稳的影响规律，流固耦合振动对车体结构可靠性、气动性能优化、车体气密性及气动噪声的影响规律，弓网耦合振动对受流稳定性和弓网噪声的影响规律，建立统一评价体系，探索大系统耦合条件下高速列车技术极限速度。二、预期目标(一) 总体目标本项目围绕时速 500 公里条件下的列车动力学行为，开展前沿探索性研究工作，旨在从整个高速列车运行速度域的全局来认识高速列车关键力学问题，延拓在不同速度域其力学问题的一般规律，掌握在超高速运行条件下高速列车及其耦合作用力学特性，揭示相互作用机制和影响规律，探究高速列车运动中的临界问题和极限问题；探究轮轨关系、弓网关系和
29、流固耦合关系等关键力学行为对高速列车运行安全性、平稳性和舒适性的影响。以此来提升高速列车技术水平和储备，取得突破性和创造性的研究成果，引领世界高速列车关键力学问题的研究。1、拓展对更高速度条件下高速列车运行的关键力学问题的认识。依托时速 500 公里高速试验列车，在时速 500 公里条件下，探明高速列车气动效应特性和规律；探索复杂轮轨滚动接触行为、轮轨黏着机理；发现弓网滑动和跳动接触动态行为特征、弓网接触斑形貌、接触振动和气流作用对导电、发热和微弧产生的影响规律；分析不同环境工况下的列车的流固耦合动力学特性；探讨列车整体结构模态和局部振动模态的优化匹配。通过这些研究，进一步发展既有的相关理论、
30、认知程度、研究内容和研究方法，从而在整个高速列车运行速度域的全局来认识高速列车关键力学问题，取得突破性和创造性的研究成果，引领世界高速列车基础力学问题的研究。同时，揭示关键力学行为对高速列车运行安全性、平稳性、乘客舒适性及环境友好性的影响。2、全面提升我国高速列车基础研究的能力和水平。在研究体系方面，以高速列车系统动力学理论为代表，从时速 350 公里拓展到时速 500 公里；在研究手段方面，构建由仿真分析、地面试验和线路试验组成的综合研究体系，建设支撑基础研究、代表当今世界先进水平、1：1 的试验装备与系统；在研究策略方面，将基础研究方向与工程实践需求紧密结合，互为支撑，相互推动，形成具有现
31、实性与引领性的研究成果，同时在此创新研究的平台上，促进研究人员与工程技术人员的研究能力与实践能力迅速成长，培养出一支年轻的、高水平的专业研究团队。在研究成果方面，将在国内外核心学术期刊发表论文 200 篇以上，其中 SCI、EI 收录论文 120 篇以上，有重要国际影响的论文 50 篇以上，出版著作 3-5 部，申请发明专利 15 项，申请软件登记 5 项，培养博士后与博士生 65 名。3、为地面高速运载工具的技术发展提供有益的借鉴。本项目所开展的研究考虑了复杂车底和线路形貌的地面效应、气动扰动下的流固耦合列车动力学行为、车体结构振动等，此类成果不仅拓展了空气动力学的研究范围，而且对于高速磁悬
32、浮列车的气动行为，及其车体结构设计提供借鉴和参考。高速轮轨黏着极限和超高速列车的理论速度极限，对未来真空管轨超高速交通方式的研究有积极的参考意义。(二)五年预期目标第一年度：1. 于可压缩流动模型，针对非定常流动，开发高速列车空气动力学数值仿真方法，包含：非定常雷诺平均模拟（URANS） 、脱体涡模拟（LES）及大涡模拟（LES）等方法。根据时速 500 公里试验列车和试验线路条件，确定试验方案。2.初步完成时速 500 公里条件下的含轮轨刚柔模型的车辆轨道耦合大系统动力学数值模型、轮轨滚动接触行为理论模型、轮轨黏着理论模型、黏着控制理论模型建模。完成时速 500公里条件下的轮轨黏着试验装置、
33、高能束流非均匀改性配套装置的方案设计、加工和调试。3. 揭示非等波速链型结构悬索波动传播、波动分散和波动汇合的振动规律；提出考虑接触网和受电弓空间运动、系统的弹性作用和高速气流扰动的弓网耦合模型的建模和仿真方法；分析弓网电弧发展的规律以及每一阶段的宏观与微观特性，建立描述弓网电弧的动态方程和弓网电弧时空分布模型，揭示弓网电弧产生、发展及熄灭规律；4.研究时速 500 公里条件下，利用系统动力学分析给出的边界条件与线路试验测量的振动数据进行列车部件振动分析方法，揭示气动力非均匀分布对部件振动特征的影响机理，建立气动力与车辆振动耦合作用下列车关键部件振动分析模型与方法。5. 在时速 500 公里条
34、件下，建立列车、线路（轨道或桥梁） 、弓网耦合系统的流固耦合动力学模型，研究其准确建模方法；研究高速列车动力载荷的等效简化模型与方法。第二年度：1 开展时速 500 公里实车线路试验，通过列车速度系列变化，测得列车阻力、升力和横向扰动力与速度的关系曲线，分析在时速 500 公里条件下高速列车的气动阻力特性， 探索耦合条件下气动技术极限速度。2.完善与轮轨接触相关的理论模型并发展相应的数值程序，进行部分工况的轮轨接触行为仿真；完成试验构件设计加工，调试试验装置，进行部分工况黏着特性试验，探索耦合条件下轮轨技术极限速度。3.完善并建立接触网的波动理论，提出准确的接触网波速表达形式；揭示弓网高速滑动
35、和跳动接触行为，以及快速变化的接触网电压与负荷等因素对电弧的影响规律，探索耦合条件下弓网技术极限速度。4. 研究列车、线路和弓网各子系统间的耦合关系及其表征方法；研究高速轮轨系统各种不平顺激扰的描述方法；研究车体结构整体模态和局部模态特征及其频率范围；研究列车高速运行时的气动激扰对列车（含受电弓）作用关系。第三年度：1.时速 500 公里条件下的列车整车气动行为机理研究。通过时速 500 公里高速试验列车线路试验，结合动模型试验和数值模拟结果，分析复杂地面效应下高速列车表面分离涡流结构、大长细比列车表面边界层发展不稳定性等关键空气动力学特征。2.完善数值仿真程序，全面开展时速 500 公里条件
36、下的运行状态轮轨滚、滑、跳接触行为和黏着特性的数值仿真。借助于车辆轨道耦合动力学模型，完成不同速度等级运营条件下轮轨不平顺度安全阈值。完成轮轨黏着理论模型试验验证和轮轨表面高能束流非均匀改性试验研究及黏着控制试验。3.分析不同波速利用率下的弓网振动特性，提出接触网波速的最佳利用率和利用极限；辨识强气流扰动条件下弓网耦合振动和运动轨迹的演变规律；揭示高速运行条件下强气流对弓网电弧的影响规律。4.研究内部结构与车体结构谐振、共振及多耦合振动特性，给出避免乘坐舒适度恶化与避免整车出现亚谐波共振、超谐波共振、组合共振、内共振等非线性现象的模态控制策略与方法。5.研究列车高速运行的轮对陀螺效应，车轮、转
37、向架和车体惯量对运动稳定性的影响；掌握高速列车蛇行运动失稳特性（包括失稳频率和振动幅值）对运行平稳性和安全性的影响规律；分析高速铁路地面和高架线路的轨道稳定性特性。研究整车动力学响应分析方法。第四年度：1.通过时速 500 公里试验列车线路试验和数值模拟，分析时速 500 公里条件下的列车非定常流动及其导致的列车表面压力周期性变化，研究列车各车厢气动升力和横向力大小、方向随速度增加的变化规律。2.完善理论分析，得到 500km/h 条件下轮轨黏着理论和试验曲线；全面开展时速 500 公里条件下的轮轨黏着试验、轮轨接触表面形貌高能束流非均匀改性试验及黏着控制试验的实验结果分析。3. 确定多弓受流
38、状态下的接触网波动特征，揭示复杂波动源下接触网振动波的传播规律和干涉机制；揭示接触网不平顺、弓网设计参数和弓网接触副廓型对弓网耦合振动及接触压力的影响规律；揭示弓网动态接触压力、接触副廓型、弓网接触斑形貌等对接触电阻的影响规律；4. 将各种激扰在动力学模型中综合考虑，发展流固耦合动力学分析模型，研究时速500 公里条件下的高速列车整车动力学响应特征。研究车体结构在复杂气动激扰力作用下局部结构颤振、屈曲特性。第五年度：1. 综合分析线路实验、动模型实验和数值仿真等研究结果，分析时速 500 公里条件下的列车气动效应特征，建立列车随速度变化的气动效应综合分析体系；建立气动效应对高速列车运行安全性、
39、平稳性、舒适性及环境友好性的影响关系。2. 完成高速轮轨接触行为和高速轮轨黏着的数值仿真。深入进行高速轮轨黏着试验研究，得到考虑更多因素黏着规律曲线、动态安全/脱轨准则。优化高能束流非均匀改性轮轨表面接触形貌试验研究和黏着控制方法。3. 分析受电弓双向运行的气流差异、明线和隧道的气流差异，以及不同气流特征对弓网耦合振动和受流质量的影响规律；掌握弓网带弧受流的工作机理，研究电弧与接触电阻之间的互相影响，进而揭示高速条件下弓网受流质量的影响因素及规律。4. 在时速 500 公里条件下，研究车体在各种激扰下的振动规律，揭示局部结构颤振、屈曲发生条件和机理，探讨可能造成的结构破坏程度，给出车体结构和局
40、部结构在颤振、共振及屈曲条件下的极限承载能力，建立车体振动与车体结构自身安全性和乘坐舒适性的关系。5. 建立包括多种因素的列车平稳性统一分析方法。应用整车台架试验、风洞模拟试验和高速列车线路动力学试验，进行理论模型的试验验证。预测高速条件下整车流固耦合动力学响应、轮轨作用力及脱轨可能性。探索多因素耦合作用对高速列车脱轨安全性的影响规律。6. 探索大系统耦合条件下高速列车的技术极限速度三、研究方案(一) 学术思路时速 500 公里高速列车关键力学问题的研究是高速列车基础研究的发展和延续，同时充分体现科学问题研究的一般规律，结合高速铁路发展这一现在和将来的重大需求为背景，借助于我国自主研发即将下线
41、的时速 500 公里试验列车，认识在高速特别是超高速运行条件下列车动态特性和关键力学行为，在此基础上发现高速列车力学行为规律，并揭示超高速轮轨、弓网等相互作用机制，最终确定轮轨黏着、受电弓受流的波速利用率、蛇行失稳速度等所逼近的极限、气动阻力随列车速度的变化规律以及以保证列车动力学性能和安全性的轨道和接触网不平顺限制、气动升力、横向力和倾覆力矩的限制，从此来认识高速列车在正常运行条件下的理论速度极限。揭示这些关键力学行为和特征对高速列车运行安全性、平稳性、舒适性及周围环境的影响。研究获得的成果不仅将填补世界在超高速速度段的高速列车的基本动力学行为和力学特征，极大地提高人们对高速列车的认知能力；
42、同时将丰富高速列车流固耦合动力学、轮轨关系、弓网关系及列车空气动力学的理论体系，完善现有高速列车的设计和计算方法，并为高速铁路的相关技术规范和技术标准制定提供支持。具体学术思路见图 1。图 1 本项目研究的学术思路(二) 技术路线1、基于两个前提。一是深入研究国外在高速试验和基础研究领域所取得的系列成果，学习借鉴国外先进研究方法和手段，博采众长，为我所用；二是进一步深化研究在京津城际高速铁路、武广和郑西客运专线进行的科学试验所取得的突破性研究成果，巩固基础，乘势而上。2、借助三个条件。一是依托时速 500 公里高速试验列车和近 300 公里长的试验线路；二是国内一流的实验条件和装备；三是国内一
43、流的科研机构、高等院校和创新研究团队。3、把握三个关键。按照科学研究的基本规律，一是充分认识并准确描述时速 500 公里的高速列车运动行为与特征；二是运用现代相关理论与方法，研究凝练内在规律；三是探索在近似极限速度下的高速列车运行安全性、平稳性、舒适性和对环境的影响。4、形成闭环研究体系。坚持基础理论研究和科学试验研究相结合，将“试验-建模- 验证-仿真-再试验- 模型修正- 再验证- 再仿真” 作为本项目的核心技术路线；将考虑复杂耦合作用的整车动力学行为与列车运行安全性、平稳性、舒适性和周围环境的影响关系研究作为本项目的研究重点。本项目的具体技术路线见图 2。耦合动力学行为对列车运行安全性、
44、平稳性、舒适性和技术速度极限的影响图 2 本项目研究的技术路线(三) 创新点与特色1. 特色在项目设置特色方面，本项目紧密结合高速铁路发展的国家战略需求，以引领高速列车基础研究为目标，研究高速列车在时速 500 公里条件下力学行为特征以及这些力学行为特征对高速列车运行安全性、平稳性和舒适性的影响，针对其中的关键力学问题，开展基础研究。项目针对性强，研究目的明确，而且基础研究和应用十分紧密。在技术路线特色方面，本项目依托具有实际运营环境的 500km/h 高速试验列车创新研究平台，长期开展在时速 500 公里条件下的线路试验，以获得不同速度域的高速列车力学行为规律为依据，发展在时速 500 公里
45、条件下的相关力学模型，采用基础理论研究和科学试验研究相结合，进行模型的验证。从而走一条“试验-建模- 验证-仿真-再试验- 模型修正-再验证-再仿真”的闭环技术路线，通过试验和仿真研究的相互支撑，系统研究高速列车关键力学问题的内在规律及其对列车运行安全性的影响机制。在研究内容特色方面，本项目针对列车在时速 500 公里条件下运动行为的研究，认识现象、总结规律、探索极限。研究的具体内容紧扣影响高速列车运行性能、安全性和舒适性的关键力学问题，包括涉及支撑、导向和牵引制动的轮轨接触力学问题；涉及受流的弓网耦合振动；涉及运行阻力、列车运动姿态及流固耦合等气动效应；涉及振动、噪音和舒适性的结构振动等基础
46、力学问题。研究核心是认识时速 500 公里条件下列车特殊流场、线路激扰和系统流固耦合振动行为、揭示其产生机理和规律，最终建立符合时速 500 公里条件下列车运行特征的理论模型及对列车运行安全性的影响关系。2. 创新点(1)以实际运营环境下的 500km/h 高速试验列车为平台，结合数值仿真和动模型实验，开展时速 500 公里条件下的耦合动力学行为研究，获得不同速度域内的高速列车的运动行为、特性和规律及对列车运行安全性、平稳性和舒适性的影响机制。(2)考虑具有复杂形状的车底与线路之间地面气动效应的列车空气动力学，获得在时速 500公里条件下列车气动力特性随速度的变化规律及气动安全边界。(3)首次
47、在时速 500 公里条件下考虑车体、构架和轮对运动惯量和轮对陀螺效应对高速列车非线性稳定性的影响机理和规律，提出保证运行安全性和稳定性的车体-构架、构架- 轮对约束条件。(4)建立时速 500 公里条件下轮轨滚动接触行为理论模型和黏着计算方法，获得轮轨黏着趋近极限，探索轮轨关系对列车运行安全的影响。(5)首次开展高能束流对材料表面非均匀改性处理表面形貌对黏着系数稳定性和轮轨噪声的影响，探索提高列车运行安全性的控制方法。(6)建立时速 500 公里条件下，考虑高速滑动效应、弓网接触区空间形貌、机电特征以及高速气流作用的弓网理论分析模型及弓网安全利用极限。(7)建立时速 500 公里条件下的列车流
48、固耦合振动特性，车体振动对列车运行安全可靠性的影响。(8)以列车流固耦合行为为特征，研究列车从头车到尾车的振动传递，研究尾车在尾端开放条件的车辆运动行为。研究线路特别是高架线路振动波传递对列车振动的影响，揭示各种影响因素耦合作用的高速列车安全运行速度限值。(9)以耦合振动行为为衡量指标，探索大系统耦合条件下高速列车的技术极限速度。(四) 取得重大突破的可行性分析1、取得如下重大突破：(1) 揭示时速 500 公里条件下，具有复杂形状的车底与线路之间地面气动效应的列车整车及关键部件气流的流动规律。(2) 获得时速 500 公里条件下的高速列车气动力特性和作用规律及气动效应安全阈值。(3) 时速
49、500 公里条件下的列车高频刚柔耦合大系统非线性模型建立和数值方法及耦合力学行为对列车运行安全性和稳定性的影响规律。(4) 时速 500 公里条件下的列车轮轨滚动接触行为分析模型和数值分析方法及轮轨安全理论速度极限。(5) 时速 500 公里条件下的轮轨黏着关系曲线的建立，以及通过轮轨接触表面形貌的激光改性，有效地控制或提高轮轨黏着效果，提高列车运行安全速度极限。(6) 在时速 500 公里条件下，考虑了气流扰动的滑动-跳动弓网接触耦合振动模型及数值方法，探索弓网利用极限。(7) 在时速 500 公里条件下，探索车体等复杂系统在恶劣环境激扰下振动规律及对列车运行安全可靠性的影响。(8) 在时速 500 公里条件下，揭示车辆零部件惯性对列车临界失稳速度的影响规律。(9) 预测大系统耦合条件下高速列车的技术极限速度。2、可行性分析加快发展高速铁路是国家重大战略需求，在我国迅速地从高速铁路技术大国向强国迈进的战略机遇期，我们不仅要进一步丰富发展高速列车基础研究体系，支撑高速列车技术的可持续研发，还必须在前瞻性、引领性的基础研究领域具有权威性的话语权，抢
