趙懷瑞,李 萍,楊富超

（1.華東交通大學(xué)軌道交通學(xué)院現(xiàn)代軌道車輛研究所，江西 南昌 330013；

2.河南機電高等?？茖W(xué)校機電工程系，河南 新鄉(xiāng) 453002）

高速列車頭型數(shù)值設(shè)計優(yōu)化研究現(xiàn)狀與展望

趙懷瑞1,李 萍1,楊富超2

（1.華東交通大學(xué)軌道交通學(xué)院現(xiàn)代軌道車輛研究所，江西 南昌 330013；

2.河南機電高等?？茖W(xué)校機電工程系，河南 新鄉(xiāng) 453002）

基于試驗的傳統(tǒng)列車頭型設(shè)計方法通過對比從有限設(shè)計方案中尋優(yōu)，并非真正意義上的優(yōu)化。聯(lián)合CFD仿真和優(yōu)化算法進行列車頭型設(shè)計優(yōu)化，是列車設(shè)計研究的一個新方向。從設(shè)計方法、參數(shù)化建模以及計算策略等4個方面綜述了國內(nèi)外高速列車外形數(shù)值設(shè)計優(yōu)化的研究現(xiàn)狀，指出高速列車頭型設(shè)計的發(fā)展趨勢，即向與建筑物耦合設(shè)計、譜系化設(shè)計、多學(xué)科設(shè)計、全壽命周期設(shè)計及隨機設(shè)計5個方向發(fā)展。我國列車運行速度不斷提高，需要設(shè)計運行安全、高效與環(huán)境友好的高速列車頭型，發(fā)展能廣泛應(yīng)用、高效可靠的列車頭型設(shè)計理論與方法，建立高速列車頭型設(shè)計技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系。

高速列車；頭型；設(shè)計優(yōu)化；空氣動力學(xué)

隨著列車不斷提速，列車空氣動力學(xué)問題諸如：空氣阻力、隧道微氣壓波和橫風(fēng)安全性等也日益突出［1］。雖然這些問題與諸多因素有關(guān)，但從車輛氣動外形設(shè)計的觀點分析，這些問題都與列車頭部形狀有密切的關(guān)系［2-3］。因此，如何設(shè)計綜合氣動性能優(yōu)良的列車頭型，從而有效地降低空氣動力學(xué)現(xiàn)象對列車運行和周圍環(huán)境的影響，是高速列車設(shè)計中的一個重要研究課題。

列車空氣動力學(xué)問題非常復(fù)雜，加之理論與計算資源的不足，試驗成為人們最初進行列車頭型與氣動設(shè)計的唯一選擇。在鐵路技術(shù)一向發(fā)達的日本與德國，研究人員開展了廣泛的外形試驗研究［4-8］，并在試驗研究的基礎(chǔ)上對列車外形進行設(shè)計與優(yōu)化［9-11］。我國在鐵路提速及高速動車組上線以來，也進行了大量的試驗研究［12-13］，并設(shè)計出了一系列氣動性能良好的列車外形［14-15］。基于試驗的外形設(shè)計與優(yōu)化，都需要事先由研究人員根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計出系列方案，然后通過對比從有限方案中尋優(yōu)，因此只是方案對比，而非真正嚴(yán)格意義上優(yōu)化。隨著計算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）和計算機技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們開始嘗試著把CFD和優(yōu)化算法聯(lián)合起來進行高速列車頭型設(shè)計優(yōu)化。自1997年Iida［16］研究報道以來，高速列車頭型數(shù)值設(shè)計優(yōu)化已成為高速列車研究領(lǐng)域中的一個前沿課題。

文章對國內(nèi)外高速列車頭型數(shù)值設(shè)計優(yōu)化的研究現(xiàn)狀進行綜述，并結(jié)合現(xiàn)代高速列車設(shè)計的發(fā)展方向?qū)ξ磥硌芯口厔葸M行展望，以期為我國高速列車頭型設(shè)計提供建議和參考。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 設(shè)計方法

聯(lián)合CFD與優(yōu)化算法進行結(jié)構(gòu)外形設(shè)計優(yōu)化的一般方法與流程如圖1所示。首先，選擇外形設(shè)計優(yōu)化參數(shù)，并進行參數(shù)化建模。然后，對列車周圍的流場進行CFD計算，并判斷目標(biāo)函數(shù)值是否收斂，如果收斂其中：Z()

圖1 一般設(shè)計流程Fig.1 General design flow

x為輪廓上點的坐標(biāo)；xp，zp是起始點坐標(biāo)；L，H為列車長度和高度；A1，A2為頭型鈍性相關(guān)的參數(shù)。

Kwon［19］采用“試驗設(shè)計+近似模型”的策略對列車外形進行設(shè)計優(yōu)化，如圖2所示。利用D-optimal（D-最優(yōu)）試驗設(shè)計方法獲得設(shè)計空間中具有代表性的樣本點xi（i=1，2，……，n），并利用CFD仿真獲得響應(yīng)值yi（i=1，2，……，n），然后利用樣本點對｛（xi，yi）i=1，2，……，n｝構(gòu)建近似模型（RSM）來代替實際的CFD仿真計算，從而大大降低了列車頭型設(shè)計優(yōu)化對計算資源的需求，提高了設(shè)計效率。

列車頭型數(shù)值設(shè)計優(yōu)化會牽涉到不同的專業(yè)軟件或?qū)W科。為將所有的設(shè)計環(huán)節(jié)組織到一個統(tǒng)一、有機和邏輯的框架中，瑞典龐巴迪公司［20］在modelFron?tier平臺下進行Zefiro列車外形設(shè)計優(yōu)化，并最終獲得氣動性能良好的系列外形。VYTLA［21］在Matlab環(huán)境下搭建了多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化（MDO）平臺，并對高速列車外形進行MDO。

1.2 參數(shù)化建模方法

對于高速列車頭型的數(shù)值優(yōu)化，如何準(zhǔn)確地定義模型設(shè)計空間，且當(dāng)設(shè)計參數(shù)變化時自動、快速地建立、更改模型，是研究者首先關(guān)注的問題。

實際工程中，模型的建立與快速更改是通過參數(shù)化來實現(xiàn)的。Iida［16］建立了二維頭型的2參數(shù)表達式（2），并通過修改形狀控制參數(shù)a1、a來獲得不同的頭型方案。則設(shè)計結(jié)束；否則，更新設(shè)計參數(shù)，重新上述過程，直至收斂。

空氣動力學(xué)為非線性問題，且列車編組運行，其流場計算與優(yōu)化需要巨大的計算資源，如何降低對計算資源的需求則成為列車外形數(shù)值設(shè)計的關(guān)鍵。Bel?lenoue等［17］根據(jù)過隧道時氣動性能的一維特性，給出了列車頭型設(shè)計優(yōu)化兩步法：首先，采用軸對稱模型獲得列車過隧道時氣動性能（微氣壓波）良好的頭型橫截面輪廓；然后，以氣動阻力與橫風(fēng)安全性為目標(biāo)函數(shù)對三維頭型（以上述軸對稱輪廓為基礎(chǔ)）進行優(yōu)化。Ku［18］等根據(jù)上述“兩步法設(shè)計”思想，在獲得性能良好的橫截面輪廓后，利用車輛模型函數(shù)（1）建立了高速列車外形的三維模型并進行優(yōu)化，以降低列車過隧道時微氣壓波效應(yīng)與氣動阻力。

圖2 基于RSM的外形設(shè)計流程Fig.2 Flow chart of nose shape design based on RSM

其中：A()

x為x處縱剖面面積；x為到頭部的距離；a頭車長度；b頭車高度；a1，a2為形狀控制參數(shù)。

Lorriaux［22］和 Vytla［23］等將二維列車頭型簡化為由5個參數(shù)控制的兩段橢圓?。▓D3），其中a、b為長度參數(shù)，c為鼻部高度參數(shù)，θt、θb頭型角度控制參數(shù)。

為獲得更一般的設(shè)計空間，在IIDA模型基礎(chǔ)上，KWON［24-25］引入希克斯-亨內(nèi)（Hicks-Henne）外形函數(shù)（4），結(jié)果比較表明利用上述設(shè)計空間所獲得頭型優(yōu)化方案比IIDA方案氣動性能更好。

圖3 列車頭型5參數(shù)示意圖Fig.3 Geometric parameters of train nose

其中：Y(x)為輪廓線x處的縱坐標(biāo)，Ybase（x）為基礎(chǔ)形狀x處的縱坐標(biāo)，F(xiàn)i為形狀函數(shù)，Wi為權(quán)重系數(shù)。

我國在列車外形參數(shù)化建模方面也做了不少工作。徐趁肖［26］應(yīng)用近代復(fù)變?nèi)遣逯倒残斡成淅碚摵头ň€迭代收斂方法及三次樣條插值對流線化三維高速列車頭型曲面的統(tǒng)一數(shù)學(xué)描述，實現(xiàn)了高速列車頭型給定工程精度要求下的數(shù)學(xué)建模。梁習(xí)鋒，吳學(xué)忠［27］采用NURBs曲線生成控制型線，使用相關(guān)數(shù)算法自動生成Coons曲面，并編制了具有良好動態(tài)修改功能的高速列車外形設(shè)計軟件?？姳s［28］，王文濤［29］在Visual C++編程環(huán)境下，分別以AutoCAD 2000、SolidWork平臺，開發(fā)了高速列車頭型參數(shù)化CAD系統(tǒng)。

上述研究都是基于幾何參數(shù)化的，即當(dāng)設(shè)計參數(shù)變化時，先修改幾何模型，再對幾何模型進行相應(yīng)地網(wǎng)格劃分，所以效率不是很高。為此，S Krajnovic［22］，SUN ZhenXu［30］借助網(wǎng)格修改軟件SCULPTOR建立了列車外形的網(wǎng)格參數(shù)化模型，當(dāng)設(shè)計參數(shù)變化時，直接對網(wǎng)格模型進行局部修改或重畫，從而顯著地提高了設(shè)計效率。網(wǎng)格參數(shù)化是基于網(wǎng)格的局部修改與重畫，它的缺點是當(dāng)設(shè)計變量變化范圍比較大時，可能導(dǎo)致網(wǎng)格質(zhì)量變差或者劃分失敗。

1.3 計算策略

國內(nèi)外目前常用做法是采用近似模型（metamodel，也稱代理模型）來代替大量的CFD仿真計算，以降低了列車頭型設(shè)計對計算資源的需求。近似模型是利用已知點的信息來預(yù)測未知點響應(yīng)值的一類關(guān)系式模型，因此在構(gòu)建近似模型時，合理選取這些“已知點”就顯得至關(guān)重要了。研究人員大都采用“試驗設(shè)計+近似模型”的設(shè)計策略，利用試驗設(shè)計選取設(shè)計空間中具有代表性的樣本點，然后通過CFD仿真獲得相應(yīng)的響應(yīng)值來構(gòu)造近似模型。

Krajnovic［25］利用面心立方設(shè)計（faced centered composite design）產(chǎn)生二次響應(yīng)面近似模型的樣本點，發(fā)現(xiàn)隨著設(shè)計變量的增加，樣本點的數(shù)目也迅速增加。

Kwon［26］利用D-最優(yōu)（D-optimal）試驗設(shè)計方法獲得樣本點，并構(gòu)造二次響應(yīng)面近似模型來對列車外形進行優(yōu)化。結(jié)果表明，與其它試驗設(shè)計方法相比，D-最優(yōu)更適合設(shè)計空間不規(guī)則的優(yōu)化問題，需要樣本點數(shù)也少。

為獲得設(shè)計空間中分布均勻性較好的樣本點，Vytla［23］采用拉丁超立方采樣（latin hypercube sampling）方法產(chǎn)生樣本點，并通過構(gòu)造Kriging近似模型對高速列車頭型進行多目標(biāo)優(yōu)化，以減低列車的氣動阻力與噪聲。

Lee［31］聯(lián)合歐文隨機正交矩陣（Owen’s random orthogonal arrays）與D-最優(yōu)試驗設(shè)計方法產(chǎn)生樣本點，即先用歐文正交矩陣產(chǎn)生樣本點，然后利用D-最優(yōu)設(shè)計從中選出一些樣本點來構(gòu)建近似模型。

不同的試驗設(shè)計方法、近似模型及其組合，各有優(yōu)缺點［32］。截止目前，它們在高速列車外形設(shè)計與優(yōu)化中的適應(yīng)性對比研究少有報道。Lee［33］對支持向量機（support vector machine，SVM）和Kriging近似模型的對比研究表明，與基于梯度的優(yōu)化算法一起使用時SVM效率更高（表1）。

優(yōu)化算法對任何優(yōu)化問題都非常重要，它的選擇不僅關(guān)系到設(shè)計效率的高低，甚至還會因無法獲得全局最優(yōu)解而導(dǎo)致失敗。采用近似模型的優(yōu)化問題變得簡單了許多，首先一些近似模型一旦選定，就可以根據(jù)近似模型的類型選擇合適的優(yōu)化算法，如采用二次響應(yīng)面模型，則可以選擇二次優(yōu)化算法；其次，近似模型極大地提高了設(shè)計效率，效率不高的全局探索優(yōu)化算法（如遺傳算法，模擬退火算法等）的使用已不再是一個問題。鑒于上述原因，本文對于優(yōu)化算法的問題不再做過多闡述。

1.4 典型優(yōu)化結(jié)果分析

Ku［18］以Iida［16］優(yōu)化結(jié)果為基礎(chǔ)形狀，對列車頭型進行優(yōu)化以降低列車過隧道時的微氣壓波效應(yīng)。與Iida［16］和Lee［33］的結(jié)果相比（圖4），Ku優(yōu)化方案在鼻型前端橫截面增加非常迅速，而在中部附近截面增長率則為負(fù)值，這種橫截面變化率由正向負(fù)突然變化使車體周圍氣流產(chǎn)生很強的膨脹效應(yīng)，且鼻型長度較短時，會把一個大壓縮波分成兩個小壓縮波，從而更有利于降低隧道微氣亞波。因此，Ku方案與拋物線頭型相比能使微氣亞波最大值降低18%～25%，相比Iida方案的11%～18%有明顯提高。同時Ku［33］頭型長度與最優(yōu)頭型關(guān)系的研究表明，不同頭型長度下的優(yōu)化方案也不同：當(dāng)頭型較短時，鼻型前端非常鈍，截面面積遞減較快，但隨著長度增加變化逐漸平緩。

圖4 優(yōu)化方案對比Fig.4 Comparison of different optimization schemes

Vytla［31］對時速350高速列車進行多目標(biāo)優(yōu)化，以減低列車的氣動阻力與噪聲。通過加權(quán)系數(shù)法，獲得了不同權(quán)重系數(shù)下列車外形優(yōu)化方案，如表2所示。從表2可以看出，隨著噪音權(quán)重的增加，優(yōu)化后的外形氣動噪音降低，而阻力值增加，所以降低氣動噪音與阻力是相矛盾的；反映在最終外形方案上，隨著噪音權(quán)重的增加，頭部變長、變鈍。

表1 SVM與Kriging近似模型對比Tab.1 Comparison between SVM and Kriging model

表2 不同權(quán)重系數(shù)下優(yōu)化變量值Tab.2 Optimize solution under different weights factors

在我國新一代高速列車外形設(shè)計中，Sun Zhenxu等［34］利用數(shù)值方法對CRH3頭型進行優(yōu)化，新頭型比原始方案氣動阻力降低1.85%。Yao ShuanBao等［35］對CRH2頭型進行數(shù)值優(yōu)化，在改善局部流場的同時，與原始方案相比，新頭型頭車非粘性阻力降低60.03%，尾車非粘性阻力降低47.89%。

2 發(fā)展趨勢與方向

國內(nèi)外研究人員在列車頭型數(shù)值設(shè)計與優(yōu)化方面做了大量的研究工作，以“實驗設(shè)計+近似模型”為基礎(chǔ)的體系已初步形成，但仍有大量的工作有待進一步地研究。

2.1 與建筑物耦合設(shè)計

列車過隧道或橋梁時所產(chǎn)生的氣動效應(yīng)是列車與路旁建筑物相互作用的結(jié)果。目前工程中列車與建筑物設(shè)計都是分開進行的，沒有充分考慮它們之間的相互作用［36］。通過對線路實驗數(shù)據(jù)分析，田紅旗、高廣軍［14］提出將列車和隧道耦合起來進行隧道斷面和列車外形設(shè)計，是減小隧道空氣動力學(xué)效應(yīng)的有效途徑，但進一步的研究還未有報道。隨著運行速度的不斷提高，列車與路旁建筑物（如，隧道）的耦合效應(yīng)加劇，其氣動力學(xué)問題將成為制約高速列車可持續(xù)發(fā)展的主要因素。因此，研究列車與路旁建筑物的耦合設(shè)計理論與方法具有重要的理論意義與工程應(yīng)用價值。

2.2 譜系化設(shè)計

列車運行的線路工況是多變的，不同線路工況對列車氣動性能的要求也不盡相同，如明線運行要求氣動阻力盡可能地小，過隧道時則希望隧道內(nèi)氣壓變化與隧道氣動噪聲盡可能地小。不同的氣動性能要求則會導(dǎo)致不同或截然相反的列車外形方案［37-38］。我國“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃（2010—2015）［39］中提出了列車譜系化的研究方向，這其中的一項重要的研究內(nèi)容就是列車頭型的譜系化設(shè)計。

2.3 多學(xué)科設(shè)計

目前幾乎所有研究都局限在單一氣動學(xué)科內(nèi)，沒有考慮列車空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)以及結(jié)構(gòu)強度等學(xué)科間的相互影響。隨著列車運行速度地不斷提高，學(xué)科間的相互影響或耦合也越來越強，已到了不容忽視的程度［40］，因此多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化（multidisciplinary design optimization，MDO）也是大勢所趨。

2.4 全壽命周期設(shè)計

設(shè)計產(chǎn)品不僅是設(shè)計產(chǎn)品的功能和結(jié)構(gòu)，而且要設(shè)計產(chǎn)品的規(guī)劃、設(shè)計、生產(chǎn)、經(jīng)銷、運行、使用、維修保養(yǎng)、直到回收再用處置的全壽命周期過程。全壽命周期設(shè)計意味著，在設(shè)計階段就是考慮到產(chǎn)品壽命歷程的所有環(huán)節(jié)，以求產(chǎn)品全壽命周期所有相關(guān)因素在產(chǎn)品設(shè)計分階段就能得到綜合規(guī)劃和優(yōu)化［41］。

根據(jù)全壽命周期設(shè)計思想，列車頭型設(shè)計不僅涉及空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、結(jié)構(gòu)強度等傳統(tǒng)學(xué)科，還包括制造性、維修性和可靠性等因素。因此，未來的列車頭型設(shè)計不僅要包含傳統(tǒng)列車空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)強度等學(xué)科，還要進一步探討面向制造性、維修性和可靠性等的頭型分析設(shè)計方法，在全壽命周期上進行列車頭型設(shè)計。

2.5 隨機設(shè)計

在高速列車設(shè)計、制造以及運營過程中存在許多不確定因素，如，材料屬性的不確定性，制造與裝配誤差引起的外形參數(shù)的不確定性，運行環(huán)境的不確定型等等。為了獲得穩(wěn)健性的設(shè)計優(yōu)化方案，降低風(fēng)險，在的設(shè)計與優(yōu)化中應(yīng)該考慮這些不確定性因素，因此需要研究頭型隨機設(shè)計問題。

3 我國高速列車頭型設(shè)計研發(fā)思考

3.1 我國高速列車頭型設(shè)計態(tài)勢

總體上，我國高速列車頭型設(shè)計面臨著嚴(yán)峻的形式。隨著列車不斷提速，急劇增加的氣動阻力直接影響了列車的運行效率，而氣動噪聲的增加不僅嚴(yán)重影響旅客的乘坐舒適性，也給鐵路沿線的生態(tài)環(huán)境帶了來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。武廣客運專線運行初期某高速列車過隧道時，車體側(cè)壁產(chǎn)生較大的彈性變形并伴有爆破聲，嚴(yán)重地影響了旅客乘坐舒適性和列車運行安全。學(xué)科耦合現(xiàn)象加劇，京津線運行初期，在車輛振動［42］與會車壓力波的耦合作用，某高速列車發(fā)生了多起設(shè)備艙支座（架）開裂，甚至出現(xiàn)頭車轉(zhuǎn)向架裙板丟失的現(xiàn)象。類似上述的空氣動力學(xué)問題，影響了高速列車運行效率和安全性，直接影響了乘客的乘坐舒適性，也給鐵路沿線生態(tài)環(huán)境帶來挑戰(zhàn)，迫切需要從理論及技術(shù)層面上予以解決。

3.2 我國高速列車頭型設(shè)計研發(fā)需求

我國高速列車頭型設(shè)計研發(fā)應(yīng)該為解決高速列車運行中出現(xiàn)的各種空氣動力學(xué)問題提供理論與技術(shù)支持。這就需要研發(fā)能滿足我國高速鐵路運輸要求、空氣動力學(xué)綜合性能良好的列車頭型。針對因運行速度增加而產(chǎn)生的學(xué)科耦合效應(yīng)，需要研究學(xué)科間的耦合關(guān)系，發(fā)展高速列車頭型MDO設(shè)計理論與方法，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速列車頭型MDO設(shè)計平臺。針對不同線路工況對列車氣動性能要求的側(cè)重點也不同，現(xiàn)階段需要著力研究高速列車頭型譜系化設(shè)計理論與方法，搭建具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速列車頭型譜系化設(shè)計平臺，以此為基礎(chǔ)進行高速列車頭型譜系化設(shè)計，以滿足我國幅員廣闊的高速鐵路網(wǎng)對高速列車氣動性能多樣性的需求。

4 總結(jié)

1）基于“試驗設(shè)計+近似模型”的高速列車頭型數(shù)值設(shè)計優(yōu)化的理論與技術(shù)體系基本形成，在參數(shù)化建模、試驗設(shè)計方法及近似模型精度評價等等方面仍有大量的研究工作有待開展。

2）高速列車頭型數(shù)值設(shè)計優(yōu)化為列車空氣動力學(xué)設(shè)計提供了新的理論與方法，未來研究主要集中在列車頭型與建筑物耦合設(shè)計、列車頭型譜系化設(shè)計以及列車頭型MDO等方面。

3）發(fā)展適合國情并具有自主知識產(chǎn)權(quán)高速列車頭型設(shè)計理論與方法，建立高速列車頭型設(shè)計技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系，是滿足我國高速鐵路可持續(xù)發(fā)展的需要，也是我國高速列車走出國門，參與國際競爭的需要。

[1]RAGHU S RAGHUATHANA,H D KIMB,T SETOGUCHIC.Aerodynamics of high-speed railway train[J].Progress in Aerospace Sciences,2002,38(6/7):469-514.

[2]張健.高速列車最佳頭部外形的進一步研究[J].電力機車與城軌車輛,2005,28(2):5-8.

[3]張健.國外高速列車最佳頭尾部形狀的研究[J].機車電傳動,2000,(2):16-18,35.

[4]GAWTHORPE R G.Aerodynamics in Railway Engineering-Part I:Aerodynamics of trains in the open air[J].Rlwy.Eng.Int,1978,3(4):7-12.

[5]PETERS JL.Aerodynamics of very high speed trains and maglev vehicles:state of the art and future potential[J].Int.J.Veh.Des.1983,3:308-413.

[6]MAEDA T MATSUMURA T,IIDA M,NAKATANI K,et al.Effect of shape of train nose on compression wave generated by train entering tunnel[J].The international conference on speedup technology for railway andmaglev vehicles.Pacific Convention Plaza,Yokohama,1993:925-934.

[7]YOON TS,LEE S,HWANG JH,LEE DH.Prediction and validation on the sonic boom by a high-speed train entering a tunnel[J].J Sound Vib,2001,247(2):195-211.

[8]HEINE C,MATSCHHE G.The influence of the nose shape of high speed trains on the aerodynamic coefficient[J].Word Congerss on Railway Research.Germany,2001:1-9.

[9]井門敦志,飯?zhí)镅判?前田達夫.列車頭部、尾部形狀最佳化的風(fēng)洞試驗[J].鐵道綜研報告,1993,7(7):59-66.

[10]前田達夫,木下真夫,鐘本勝二,本間則男.新干線電動車組車頭部形狀的風(fēng)洞試驗[J].鐵道技術(shù)研究所速報,1984,84(20):1-19.

[11]MACKRODT P A,STEINHEUR J,STOFFERS G.II型輪軌試驗機車車輛氣動力學(xué)最佳形狀的發(fā)展[J].國外高速鐵路譯文集(三):64-78.

[12]田紅旗.中國列車空氣動力學(xué)研究進展[J].交通運輸工程學(xué)報,2006,6(1):1-8.

[13]TIAN HONGQI.Formation mechanism of aerodynamic drag of high-speed train and some reduction measures[J].J.Cent.South Univ.Technol,2009,16:0166-0171.

[14]田紅旗,高廣軍.270km/h高速列車空氣動力性能研究[J].中國鐵道科學(xué),2003,24(2):14-18.

[15]王晶.北車長客股份試驗證實自主創(chuàng)新動車組比原型車減阻12%以上[EB/0L].(2010-08-27)[2013-10-20].http://www.chinacnr.com/272-655-2761.aspx.

[16]IIDA M,MATSUMURA T,NAKATANI K,et al.Effective nose shape for reducing tunnel soinc boom[J].QR of RTRI,1997,4(38):206-211.

[17]M BELLENOUE,V MORINIE'RE,T KAGEYAMA.Experimental 3-d simulation of the compression wave,due to train-tunnel entry[J].Journal of Fluids and Structures,2002,16(5):581-595

[18]YO CHEON KU,MIN HO KWAK,HOON IL PARK,et al.Multi-objective optimization of high-speed train nose shape using the vehicle modeling function[J].AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition,2010,48:1-9.

[19]KWON HB,K J Y K.Nose shape optimization of high-speed train for minimization of tunnel sonic boom[J].JSME International Journal Series C,2001,44(3):890-899.

[20]劉俊.高速列車氣動外形的CFD計算與優(yōu)化[EB/0L].(2011-01-19)[2013-10-20].http://www.newmaker.com/art_40691.html

[21]VEERA VENKATA SUNIL KUMAR VYTLA.Multidisciplinary optimization framework for high speed train using robus[D].Wright State University,2011.

[22]LORRIAUX E,BOURABAA N,MONNOYER F.Aerodynamic optimization of railway motor coaches[EB/0L].(2006-06-04)[2013-10-20].http://uahost.uantwerpen.be/eume/workshops/reallife/lorriaux.pdf.

[23]VYTLA P,HUANGY G,PENMETSA R C.Multi objective aerodynamic shape optimization of high speed train nose using adap?tive surrogate model[J].AIAA Applied Aerodynamics Conference,2010,28:1-12.

[24]HYEOK BIN KWON,K J Y K.Nose shape optimization of high-speed train for minimization of tunnel sonic boom[J].JSME In?ternational Journal Series C,2001,44(3):890-899.

[25]KWON HB,KIM YS,LEE DH,et al.Nose shape optimization of the high-speed train to reduce the aerodynamic drag and mi?cro-pressure wave[J].Proceedings of the Korean Society of mechanical engineers,2001:373-379.

[26]徐趁肖.高速列車頭型共映射建模理論研究[D].北京:北京交通大學(xué),2002.

[27]梁習(xí)鋒,吳學(xué)忠.高速列車外形計算機輔助設(shè)計[J].國防科技大學(xué)學(xué)報.1996,18(2):43-48.

[28]繆炳榮.列車流線型三維參數(shù)化系統(tǒng)[D].成都:西南交通大學(xué),2002.

[29]王文濤.高速列車參數(shù)化CAD系統(tǒng)研究[D].成都:西南交通大學(xué),2008.

[30]SUN ZHENXU,SONG JINGJING,AN YIRAN.Optimization of the head shape of the CRH3 high speed train[J].Science china,2010,12(53):3356-3364.

[31]JONGSOO LEE,JUNGHUI KIM.Approximate optimization of high-speed train nose shape for reducing micropressure wave[J].Struct Multidisc Optim,2008,35:79-87.

[32]JIN R,CHEN W,SIMPSON T W.Comparative studies of metamodeling techniques under multiple modeling criteria.Structural and multidisciplinary optimization[J],2001,23(1):1-13.

[33]YO CHEON KU,JOO HYUN RHO,SU HWAN YUN,et al.Optimal cross-sectional area distribution of a high-speed train nose to minimize the tunnel micro-pressure wave[J].Struct Multidisc Optim,2010,42:965-976.

[34]SUN Z X,SONG J J,AN Y R.Optimization of the head shape of the CRH3 high speed train[J].Sci China Tech Sci,2010,53:3356-3364.

[35]YAO S B,GUO D L,YANG G W.Three-dimensional aerodynamic optimization design of high-speed train nose based on GAGRNN[J].Sci China Tech Sci,2012,55:3118-3130.

[36]張雷,田紅旗,楊明智,張健,曾祥坤,楊志剛.帽檐斜切式洞門斜率對隧道氣動性能的影響[J].中南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2013,44(2):817-822.

[37]田紅旗,周丹,許平.列車空氣動力性能與流線型頭部外形[J].中國鐵道科學(xué),2006,27(3):47-55.

[38]趙懷瑞.高速列車外形多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京:北京交通大學(xué),2012.

[39]科技部.國家"十二五"科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃[EB/0L].(2011-07-13)[2013-10-20].http://www.most.gov.cn/kjgh/.

[40]張衛(wèi)華.高速列車耦合大系統(tǒng)動力學(xué)理論與實踐[M].北京:科學(xué)出版社,2013.

[41]薛許坤,韓豫,成虎.城市軌道交通全壽命周期設(shè)計理論及應(yīng)用[J].城市軌道交通研究,2013,16(1):14-18.

[42]馮青松,雷曉燕,練松良.解析法分析鐵路環(huán)境振動的列車隨機激振荷載[J].華東交通大學(xué)學(xué)報,2013,30(5):1-7.

Present Situation and Future Development of High Speed Train Nose Shape Design Based on CFD

Zhao Huairui1，Li Ping1，Yang Fuchao2
（1.Institute of Modern Railway Vehicles,School of Railway Tracks and Transportation,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China;2.Department of Mechanical and Electrical Engineering,Henan Mechanical and Electrical Engineering College,Xinxiang 453002,China）

The traditional design methods of high speed train nose shape,based on experiments,chooses the best one by comparing the aerodynamic performance of those limited design options,which is not real optimization.Nu?merical simulation combined with nonlinear optimization method has offered the new research direction and field for train nose shape design.The present research situation of high speed train nose shape design and optimization is analyzed and summarized,in design method,parametric method and computing strategies four aspects.Six re?search and development trends in high speed train nose shape design are pointed out as follows：coupling design with architectures alone railway,family design,multidisciplinary design optimization,life-cycle design,random?ized design.As the train speeds up,it needs in China to develop safe，high efficient and environment-friendly nose shape,to develop widely-used,reliable and efficient nose shape design method and technology,national guidelines and standards for high speed train nose shape design.

high speed train;nose shape;design and optimization;aerodynamic

U238

A

1005-0523（2014）02-0001-08

2013-10-20

973計劃項目(2011CB711100)；華東交通大學(xué)博士啟動基金（09132009）

趙懷瑞（1977—），男，講師，博士，主要研究方向為高速列車空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)疲勞。