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原文传递高速列车外形多学科设计优化关键技术研究

论文题名：	高速列车外形多学科设计优化关键技术研究
关键词：	高速列车;外形设计;近似计算;组合算法;优化设计
摘要：	随着运行速度的不断提高，列车空气动力学问题诸如:空气阻力、列车交会压力波、横风运行安全性、隧道微气压波等也日益突出。从气动外形设计的观点分析，上述空气动力学问题都与列车外形有着密切的关系。列车外形设计引起了众多业内人士和学者的重视，然而目前的研究都是在单一气动学科或线路工况内进行，没有考虑随列车速度提高而日益增加的学科间耦合效应，也就无法获得全局最优解。　　在国家科技支撑计划“高速列车空气动力学优化设计及评估技术”(2009 BAG12A07)和国家重点基础研究发展973计划“时速500公里条件下的高速列车基础力学问题研究”(2011CB711102)的支持下，本课题将计算流体力学(ComputationalFluid Dynamics，CFD)和多学科设计优化(Multidisciplinary Design Optimization，MDO)理论相结合，对高速列车外形MDO关键技术——“试验设计+近似模型”的近似计算策略和GA-PSO组合算法进行研究，并初步探讨了其在高速列车外形设计中应用，主要内容如下: 　　1)研究了“试验设计+近似模型”的MDO计算策略。介绍了试验设计基本概念，阐述了均匀试验设计理论和方法，并编制了相应的均匀设计程序;分析了MDO中常用近似模型理论和构建方法，并通过平方和函数与Schaffer F6函数对其预测精度进行比较，结果表明Kriging和SVM近似模型有良好的非线性适应性。　　2)在深入分析遗传算法(Genetic Algorithm，GA)和粒子群优化算法(ParticleSwarm Optimization，PSO)理论基础上，把PSO算法粒子速度更新与GA算法种群选择、交叉策略有机结合在一起，利用GA搜索能力强的优势进行全局搜索，而PSO执行局部搜索，从而最大限度地发挥两算法的优点。Zakharov和Rastring函数测试结果表明，单一的GA和PSO算法容易陷入局部最优，而GA-PSO组合算法更容易获得全局最优解，稳定性也显著提高。　　3)采用“试验设计+近似模型”计算策略，对列车和隧道过度缓冲段外形进行耦合设计，并通过GA-PSO组合优化策略获得了列车—缓冲段的最优外形方案。与当前结构相比，耦合设计方案能使隧道出口微气压波幅值降低15.45％。　　4)提出了多线路工况下列车头形近似设计方法，并通过明线和过隧道线路工况下的实例验证了该方法的有效性。与CRH2原型车气动性能的对比分析表明，本文系列设计方案（5种头形）的整体气动性能均有不同程度的改善，其中隧道压力梯度降低最高达到40.2％，气动阻力系数降低也达到21.61％。　　5)对受电弓总体设计进行分析，给出了受电弓性能分析及评估模型;采用自下向上的建模技术建立受电弓MDO模型，并在学科连续性约束条件下获得了综合性能良好的设计方案。与原始方形弓头受电弓气动性能的对比分析表明，本文弓头外形系列设计方案的整体气动性能有显著地改善，其中气动阻力降低20％以上，与气动噪声相关的压力梯度也降低11.23％以上。
作者：	赵怀瑞
专业：	车辆工程
导师：	李强
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文