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原文传递高速列车气动外形优化设计研究

论文题名：	高速列车气动外形优化设计研究
关键词：	高速列车;外形结构;优化设计;气动性能
摘要：	随着列车运行速度的提高，由列车高速运行引起的空气动力学问题变得愈加突出，严重影响列车的运行安全性、稳定性及环境友好性。高速列车气动性能受列车外形的影响较大，因此，对高速列车外形（如头型、车顶结构外形等）进行气动性能的优化设计具有重要意义。本文针对高速列车头型优化问题，建立明线上有无横风环境下运行的高速列车气动头型多目标优化设计方法，对高速列车头型进行优化设计。建立不同风格头型的高速列车减阻降噪优化设计方法，研究头型关键设计参数对列车气动性能的影响规律。针对高速列车车顶结构外形优化问题，采用优选方法对受电弓安装位置进行优化，并对受电弓导流罩气动外形进行减阻降噪优化设计。　　基于计算流体动力学理论和多目标遗传算法，建立高速列车头型多目标优化设计方法，选取头车气动阻力和尾车气动升力为优化目标，对列车头型开展多目标自动优化设计。采用CATIA软件建立高速列车参数化模型，选取了7个头型设计变量，通过自编的MATLAB程序和CATIA脚本文件对列车头型进行自动变形。基于ISIGHT多学科优化软件集成ICEM CFD和FLUENT软件脚本文件，实现列车外部流场网格的自动划分和列车空气动力学的自动计算。通过多目标遗传算法NSGA-Ⅱ自动更新头型设计变量，实现高速列车气动头型的多目标自动优化。优化完成后，对设计变量与优化目标之间的相关性进行分析，得到影响优化目标的关键设计变量。通过多目标优化得到一系列的Pareto最优头型，且两个优化目标无法同时取到最小。与原始列车相比，优化后头车阻力最小的列车头车气动阻力减小3.15％，尾车气动升力减小11.94％，而优化后尾车升力最小的列车头车气动阻力减小2.45％，尾车气动升力减小17.05％。为减少优化过程中重新划分网格及列车空气动力学计算的时间消耗，基于Kriging方法建立优化目标与设计变量之间的近似模型，然后通过多目标遗传算法NSGA-II对高速列车头型进行自动寻优。　　为研究高速列车头型关键设计参数对列车气动性能的影响规律，基于三种典型头型高速列车，建立各高速列车头型多目标优化设计模型，选取整车气动阻力和头车表面最大声功率作为优化目标，对列车头型进行多目标自动优化。优化后，对头型关键设计参数对优化目标的影响规律进行分析，包括相关性、贡献率、主效应及交互效应分析。结果表明:各设计变量与两个优化目标的相关性基本相反，且相关性最大的都为转向架区域隔墙倾角;设计变量之间的交互作用对优化目标存在影响，在对列车头型进行优化设计时需要考虑。　　建立横风下不同路况（平地、路堤、桥梁）运行时的高速列车空气动力学模型，采用脱体涡模拟方法对列车周围流场进行数值计算，获得各路况运行时列车所受非定常气动载荷的时域特性、频域特性及列车周围的非定常流场结构。结果表明:横风下作用在列车上的气动载荷具有显著的非定常性，且列车在复线路堤背风侧运行时的横向气动性能最差。针对最危险路况，选取整车气动阻力、头车气动升力和侧力为优化目标，建立横风下高速列车头型多目标优化设计方法。采用自由变形方法对原始列车头部网格进行变形，减少模型重新生成和网格重新划分的时间消耗。采用最优拉丁超立方设计对头型设计变量进行采样，并通过计算流体动力学方法对样本点列车的气动性能进行计算。基于样本点中列车的优化设计变量和优化目标值，构建满足工程设计要求的Kriging近似模型。然后，基于多目标遗传算法NSGA-Ⅱ并结合Kriging近似模型对高速列车头型进行多目标寻优设计。优化后得到一系列的Pareto最优头型，通过最小距离法选择一个优化头型，与原始头型进行比较。相对于原始列车，优化头型列车的整车气动阻力减小2.63％，头车气动升力减小9.51％，头车气动侧力减小2.06％，且优化头型列车的非定常气动性能也有所改善。　　基于伴随方法和径向基函数网格变形技术，同时结合计算流体动力学方法，建立高速列车头型优化设计方法，选取整车气动阻力和尾车气动升力为优化目标，开展高速列车头型的多目标优化设计。通过伴随方法求解目标函数对列车头型的敏感度，无需定义任何的头型设计变量，避免人为指定设计变量对优化结果的影响。采用径向基函数网格变形技术，避免列车头型优化过程中的网格重复生成，提高了头型优化的效率。结果表明:伴随方法可以有效的应用于高速列车的头型优化;优化后，整车气动阻力减小2.83％，尾车气动升力减小25.86％;气动阻力减小主要位于头尾车流线型部位，中间车和头尾车车体气动阻力基本保持不变;尾车气动升力减小主要位于流线型部位，尾车车体向下的升力绝对值也有所减小。　　基于计算流体动力学理论，建立不同受电弓安装位置的高速列车空气动力学模型，通过优选方法对受电弓安装位置进行优化。采用分离涡模拟方法对不同受电弓安装位置的高速列车周围流场进行数值计算，得到受电弓非定常气动力的时域特性、频域特性及受电弓周围非定常流场结构。结果表明:受电弓安装位置沿列车纵向向后，受电弓气动阻力和升力的时域均值都呈减小的趋势;受电弓布置于中间车6前端开口运行时，受电弓部位脱落的涡的数量和尺寸都较小，受电弓气动性能最好。同时为改善高速列车受电弓导流罩的气动性能，基于多目标遗传算法和计算流体动力学理论，建立受电弓导流罩气动外形优化设计方法。以气动阻力和导流罩表面最大声功率为优化目标，对受电弓导流罩外形开展多目标优化设计。采用批处理命令和脚本文件对受电弓导流罩进行自动变形和列车外部流场进行自动计算，通过多目标遗传算法NSGA-Ⅱ更新设计变量，获得受电弓导流罩外形的主动优化。与原始列车相比，采用优化导流罩的中间车气动阻力最多减小4.21％，导流罩表面最大声功率最多减小7.38％。
作者：	张亮
专业：	载运工具运用工程
导师：	张继业
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文