学士学位论文--时速500公里条件下的高速列车基础力学问题研究.doc

时速500公里条件下的高速列车基础力学问题研究项目名称：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：XXX 中国科学院力学研究所起止年限：依托部门：铁道部 中国科学院二、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、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. 基于可压缩流动模型，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、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、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；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。认识行为 气动 振动 噪声行为探索高速列车安全运行的技术速度极限500km/h高速试验列车大型试验平台200 300 400（已知） 500（安全、平稳、友好？） （km/h）丰富动力学、轮轨和弓网理论体系改进和完善高速列车分析设计方法支撑高速列车安全规范和标准的制定作用关系 环境的 耦合的 变量的揭示规律 轮轨 弓网 流固确定极限 黏着 受流 失稳图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。高速气动效应弓网关系列车流固耦合关系结构振动特性 500km/h试验列车 室内高速试验台架 动模型试验装置列车、受电弓刚柔混合非线性模型轮轨滚动接触模型弓网滑动模型列车气动理论模型气动力接触力轮轨力轮轨关系试验装置理论模型和数值仿真动力学特征耦合动力学行为对列车运行安全性、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，抢占世界高速列车技术的制高点。本项目就是基于上述需求与目标提出的，其研究实现的可行性主要依据以下四个方面：（1）2004年以来，我国高速列车技术发展取得重大进展，以京津城际高速铁路、武广客运专线和郑西客运专线等近4000公里、运营时速达到350公里的高速铁路顺利开通运营为标志，中国铁路已全面系统地掌握了当今世界最先进的高速铁路技术，并在国内构建了系统完整的设计制造体系和产业链，关键技术与主要配套技术全面实现国产化。（2）在京津城际高速铁路、武广客运专线和郑西客运专线开展了大量高速列车科学试验，在350公里条件下重点研究了耦合条件下的高速列车系统动力学行为，以及地面效应、隧道效应、振动与模态噪音关系等，获取了大量的试验数据，验证了试验方法，保证了350公里条件下高速列车运行的安全性、平稳性和舒适性，取得了一些阶段性研究成果。（3）在前期积累的基础上，依托国家重大工程和产业拉动，高速列车基础研究体系与平台建设得到了迅速发展；特别是在国家科技重大支撑项目的支持下，通过科技部与铁道部共同签署的中国高速列车自主创新联合行动计划，高速列车基础研究能力得到迅速提升，一方面，陆续建成了一批国家级的实验室，如轨道交通国家实验室（筹）、高速列车系统集成技术国家工程实验室、牵引传动国家重点实验室等，并在此平台上构建了代表当今世界先进水平的试验系统，如时速600公里高速列车滚振试验台、1：1的铝合金车体模态和疲劳分析试验台、1：1高速转向架动力参数响应分析试验台、模型比例1：10、试验速度500公里的动模型实验系统等。另一方面，在产学研用相结合的创新联盟推动下，国内一流科研机构与团队已深度参与高速列车自主创新；特别是在铁道部与中国科学院共建的“先进轨道交通力学研究中心”平台上，汇聚了包括空气动力学、车辆工程、流固耦合力学、结构动力学、铁路工程、滚动接触力学、车辆动力学等多学科领域的专家团队和产业资源。（4）铁道部正在研发的时速500公里高速试验列车将于2011年上半年下线，京沪线近300公里长的试验段也将同步建成。铁道部将提供这一世界一流的试验平台，为开展相关基础研究服务。上述条件为实现时速500公里条件下基础力学问题的研究目标奠定了坚实的基础。(五) 组织方式本项目将以“中国科学院先进轨道交通力学研究中心”为主体，并联合国内相关高校与研究机构，形成创新研究的联合体，完成项目规定的各项研究任务。2009年5月，在中国科学院力学所成立了“中国科学院先进轨道交通力学研究中心”，该中心由中国科学院与铁道部联合共建，重点开展轨道交通力学的战略规划、基础理论、引领性技术研究，为我国引领世界轨道交通技术发展提供战略性、基础性与前瞻性支撑。在“中国科学院先进轨道交通力学研究中心”平台上，汇聚了国内一流的科研资源和产业资源，其中包括：中国科学院力学所、中国铁道科学研究院、高速列车系统集成技术国家工程实验室、轨道交通国家实验室（筹）、西南交通大学、北京交通大学，以及南车青岛四方机车车辆股份有限公司、长春轨道客车股份有限公司、唐山轨道客车有限责任公司等高速列车核心骨干企业。同时，铁道部对“中国科学院先进轨道交通力学研究中心”给予了全力支持，将为开展相关研究工作提供高速列车、高速线路及行业部门协调等必要的研究环境与条件。对于本项目的管理模式，将按照科技部与铁道部共同签署的中国高速列车自主创新联合行动计划的总体要求和973项目管理的有关规定，建立统一管理、高效协作的运作机制，实行项目首席科学家负责制和课题责任专家逐级负责制，严格按照研究目标和计划节点倒逼进度，确保项目研究工作顺利进行。本项目是国家的重大战略需求，其先进性、引领性研究成果是占据未来高速列车市场竞争绝对优势的基础，因此该项目的成果与知识产权将统一组织安排。四、年度计划年度研究内容预期目标第一年6. 分析由气流-车-轮-轨-弓网-线-环境等多状态参数耦合作用情况下高速列车关键力学问题研究的理论、实验与技术策略。7. 基于可压缩流动模型，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。8. 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、高能束流非均匀改性配套装置的方案设计、加工和调试。9. 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；10. 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。11. 在时速500公里条件下，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。1. 形成国内高速列车速度提升主要制约因素研究分析报告，高速列车既有成果的总结分析报告；形成以了解轮轨、弓网、流固三个耦合激励源为主线，表征这三方面耦合振动特性为目标的实验任务，并通过实验来验证围绕这三个因素建立的高速列车极速极限速度理论模型。2. 完成依托京沪先导段科学试验研究的试验方案；形成求解高速列车技术极限速度前期研究的理论分析研究报告。3. 建立能够精确模拟高速列车底部流动的数值方法。分析单车和两车交会压力波形成机理，提炼压力波影响要素。掌握高速列车多尺度几何特性对气动阻力的影响机理。4. 建立时速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。5. 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。6. 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。7. 发表学术论文10篇；培养硕士研究生10名。第二年5. 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。6. 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。7. 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。8. 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。1. 通过实验确定不同速度条件下列车运行阻力与速度的关系，揭示气动升力和侧向力大小、方向随速度增加的变化规律。通过实验得到气动载荷、轮轨振动与轮轨作用力、弓网振动在100-500公里范围内的特征。2. 建立数值模拟复杂地面效应下高速列车底部流动的精确数值算法。确定高速列车隧道压力波的主要影响因素，归纳出阻塞比、舒适性三者之间的关系。建立复杂气流激扰下气动载荷与车体振动及局部振动特性的关系。3. 完成时速500公里条件下， 考虑滚动/滑动、接触/分离特征的轮轨三维弹性滚动接触模型。初步确定接触疲劳对轮轨材料表层组织结构的影响规律。完成高能束流非均匀改性装置改造，使其能够加工处理时速500公里列车轮对。4. 构建轮对、构架振动规律和频谱特征。初步提出列车、线路等各子系统间的耦合关系及其表征方法，高速轮轨系统各种不平顺激扰的描述方法。5. 掌握计及车体振动时弓网耦合系统的随机振动特性;确定弓网系统的高速气流特征;探明快速变化的接触网电压与负荷等因素对电弧的影响; 形成受电弓风洞试验报告。6. 提出求解高速列车技术极限速度的试验手段和理论方法；完成京沪先导段科学试验关键参数与指标极值分布及规律研究分析报告；细化为验证高速列车技术极限速度理论模型需从黏着、轮轨、气动、弓网关系等方面需要进一步进行的试验研究。7. 发表学术论文20篇；培养硕士研究生10名，博士生5名。第三年6. 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。7. 完善数值仿真程序，全面开展时速500公里条件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。8. 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。9. 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。10. 研究列车高速运行的轮对陀螺效应，车轮、转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。1. 剖析实验数据，解耦气动载荷、轮轨振动与轮轨作用力、弓网振动在不同速度段对整车振动的影响。2. 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，揭示单车通过隧道和隧道内交会等情形下，不同时刻隧道内气动参数的分布与变化规律及压缩波与膨胀波的传播。3. 建立强侧风隧道交汇等强气流激扰下气动载荷与车体振动及局部振动特性的关系；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；4. 发现超高速运行条件下轮轨接触点轨迹/斑和轮轨蠕滑率/力的变化规律。轮轨表面粗糙度和轮轨材料的表面性能对轮轨黏着特性的影响规律曲线。单节车多轮对黏着同步控制策略和制动极限值。通过轮轨表面高能束流非均匀改性1:1台架试验研究，为线路实验提供依据。5. 完成基于轮轨振动与载荷演化得到的高速列车运行稳定性及运行平稳性研究报告。完善利用轮轨激励边界条件与实车测量振动数据高速列车进行运行模态分析的方法；给出运行速度对列车动力响应的影响规律。6. 通过实验中的弓网振动特性，揭示接触网波速的最佳利用率和利用极限；确定接触网不平顺、车体振动对弓网随机振动特性的影响规律；给出合理的弓网流固耦合方式和加载方法；辨识非线性吊弦对弓网耦合振动特性的影响比重；建立强气流场下电弧动态模型，揭示弓网电弧在不同气流场下的形貌特征及等离子状态；形成受电弓气动特性试验研究报告；形成接触网振动及波动传播试验研究报告。7. 建立单一因素（气动、轮轨、弓网）决定的高速列车极限速度模型。构建各因素耦合条件下，满足系统整体性能的高速列车技术极限速度研究模型。8. 发表学术论文30篇；培养硕士研究生20名，博士生10名。第四年5. 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。6. 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。7. 确定多弓受流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；8. 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。1. 建立气动载荷、轮轨振动与轮轨作用力、弓网振动对整车平稳性及舒适性的影响的理论模型。2. 揭示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。确定单列车通过隧道和隧道内两列车交会等情形下，不同列车和隧道参数对流场结构与气动参数的分布和变化规律的影响。3. 获取轮轨气动等多种激扰下车体结构振动及局部振动规律，阐明各激扰对振动的影响范围；揭示时速500公里条件下的高速列车整车动力学演化规律。 4. 确定出时速500km条件下轮轨粗糙度安全容限，轮轨模态和噪声辐射规律；超高速运行条件下，轮轨黏着特性曲线；三维条件下轮轨黏着特性曲线理论和试验结果对比；多节车黏着控制和安全制动极限初步策略；探索轮式列车的速度极限。5. 揭示复杂波动源下接触网振动波的传播规律和干涉机制；确定轨道-车体-弓网系统间振动传递规律；揭示弓网设计参数、接触副廓型对弓网接触特性的影响规律；找出弓网接触压力、接触副廓型、弓网接触斑形貌与接触电阻的关系；形成弓网受流性能线路试验研究报告6. 提出在耦合条件下基于轮轨、弓网、流固三大耦合关系的高速列车技术极限速度的分析报告及理论模型。7. 发表学术论文50篇；培养硕士研究生30名，博士研究生15名；申请专利1-2项。第五年7. 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、平稳性、舒适性及环境友好性的影响关系。8. 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。9. 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。10. 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。11. 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。12. 探索大系统耦合条件下高速列车的技术极限速度1. 建立高速列车从时速100公里到500公里这一范围内气动载荷、轮轨振动与轮轨作用力、以及弓网振动特性的数据库，建立围绕时速500公里列车所得到的综合实验报告、论文数据库。完善在气动载荷、轮轨振动与轮轨作用力、弓网振动耦合作用下的技术极限速度模型。2. 建立气动效应对高速列车运行安全性、平稳性、舒适性及环境友好性的影响评估关系。数值研究探寻高速列车气动阻力随速度的突变点，研究和辨识高速列车的气动阻力分布，为高速列车减阻设计提供依据。揭示列车速度、阻塞比、列车长度、隧道长度、线间距、车内外压差、气动里等参数之间的影响关系及主次关系。3. 揭示局部结构颤振、屈曲发生条件和机理；给出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；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；揭示气动激扰下的高速列车临界速度。4. 揭示轮轨材料表面特性对轮轨高速滚动接触行为影响，建立高速轮轨黏着理论；完成高速轮轨黏着试验，轮轨界面激光毛化增黏研究，轮轨黏着最佳控制研究并形成相应报告；5. 形成考虑多种因素的列车运行安全性、平稳性、舒适性的分析方法；揭示车体在各种激扰下的振动规律，部结构疲劳发生条件和机理；完善相关列车动力响应与稳定性分析模型与方法。6. 识别不同气流特征对弓网接触特性及受流质量的影响规律；掌握弓网带弧受流的工作机理，进而揭示高速条件下弓网受流质量的影响因素及规律；完成高速滑动、跳动下电弧本体及周边环境温度场计算；揭示各种影响因素对弓网受流质量的影响规律。7. 形成高速列车技术极限速度的分析方法和安全边界设定原则，形成技术规范；完成耦合条件下高速列车技术极限手段的研究成果报告。8. 发表学术论文70篇；培养硕士研究生10名，博士研究生10名；申请专利3-5项。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500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