[發(fā)明專利]基于多學(xué)科設(shè)計(jì)的高速列車頭部外形協(xié)同設(shè)計(jì)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810416490.1
• 申請(qǐng)日: 2018-05-03
• 公開（公告）號(hào): CN108664721A
• 公開（公告）日: 2018-10-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉堂紅;田紅旗;李明;梁習(xí)鋒;許平;韓錕;姬鵬;郭子健;蘇新超
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中南大學(xué);中車唐山機(jī)車車輛有限公司
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
• 代理公司: 長沙朕揚(yáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 43213
• 代理人: 馬家駿

本發(fā)明公開了一種高速列車頭部外形設(shè)計(jì)領(lǐng)域的基于多學(xué)科設(shè)計(jì)的高速列車頭部外形協(xié)同設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：根據(jù)高速列車頭部外形的設(shè)計(jì)要求對(duì)高速列車頭部外形進(jìn)行參數(shù)化建模生成多個(gè)三維頭型；采用CFD計(jì)算程序耦合網(wǎng)格變形技術(shù)對(duì)三維頭型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和流場計(jì)算，獲取高速列車氣動(dòng)性能，建立氣動(dòng)性能與三維頭型之間的廣義非線性模型；對(duì)廣義非線性模型進(jìn)行多科學(xué)設(shè)計(jì)生成滿足氣動(dòng)性能要求的高速列車頭部外形。本發(fā)明把列車外形參數(shù)化的思想和氣動(dòng)分析有效地結(jié)合在一起，并在一個(gè)集成平臺(tái)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)建模、氣動(dòng)分析及其優(yōu)化全過程，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)過程的完全自動(dòng)化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明設(shè)計(jì)高速列車頭部外形設(shè)計(jì)，具體涉及一種基于多學(xué)科設(shè)計(jì)的高速列車頭部外形協(xié)同設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

列車空氣動(dòng)力學(xué)與列車外形有著密切的關(guān)系，其外形的流線化程度直接影響整列車的空氣動(dòng)力性能。對(duì)高速列車外形最佳造型的要求，很大程度是為了改善列車空氣動(dòng)力性能。因此，列車外形不斷改變的過程也是列車運(yùn)行速度不斷提高和列車空氣動(dòng)力學(xué)研究不斷深入的過程。隨著列車運(yùn)行速度的提高，列車外形設(shè)計(jì)必須充分考慮具有良好的空氣動(dòng)力學(xué)性能，需要進(jìn)行流線化的外形設(shè)計(jì)。

進(jìn)行列車外形設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)給定的外形控制尺寸，對(duì)外形的控制型線進(jìn)行設(shè)計(jì)。控制型線設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮氣動(dòng)性能，又要考慮外形美觀，兼顧結(jié)構(gòu)及工藝的要求，同時(shí)前窗、側(cè)窗位置的設(shè)置還要考慮司機(jī)室的內(nèi)部布置，司機(jī)的了望條件等。由于前窗、側(cè)窗和車門的形狀、空間位置和開啟方式等因素對(duì)外形影響很大，外形設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)這些因素予以充分考慮。

列車外形設(shè)計(jì)需要考慮的氣動(dòng)性能參數(shù)包括氣動(dòng)阻力，氣動(dòng)噪聲，列車交會(huì)壓力波，列車風(fēng)，列車/隧道耦合氣動(dòng)效應(yīng)，大風(fēng)環(huán)境下列車橫向力、升力、傾覆力矩等多個(gè)方面，這些參數(shù)除了跟列車氣動(dòng)外形本身相關(guān)外，還與連續(xù)地面邊界、隧道、風(fēng)屏障、交會(huì)列車等復(fù)雜外部環(huán)境邊界相關(guān)。并且這些氣動(dòng)性能參數(shù)往往是矛盾的，如對(duì)于列車空氣阻力而言，列車流線型頭部長度一定時(shí)，在無橫風(fēng)情況下，列車總阻力以頭車為橢球形而尾車扁梭形為最小；對(duì)于列車交會(huì)壓力波而言，列車流線型頭部形狀以扁寬形為最小，橢球形為最大。由此可見，當(dāng)列車流線型頭部長度一定時(shí)，減小列車空氣阻力和降低列車交會(huì)壓力波是既矛盾、又統(tǒng)一，因此，列車氣動(dòng)頭部外形設(shè)計(jì)需要綜合考慮各種因素。

對(duì)于頭型設(shè)計(jì)，目前主要研究列車頭部流線形長度、縱向剖面型線、水平剖面型線與列車氣動(dòng)性能的定性關(guān)系，但都沒有外形參數(shù)與氣動(dòng)性能之間定量化的結(jié)論。可以看出，目前的研究現(xiàn)狀主要是通過對(duì)高速列車形狀參數(shù)改變，研究其氣動(dòng)性能的變化規(guī)律，高速列車外形設(shè)計(jì)主要還是依靠工程經(jīng)驗(yàn)，通過比選確定實(shí)施方案，即開始設(shè)計(jì)多種外形方案，通過對(duì)各種外形方案氣動(dòng)性能的比較最后確定設(shè)計(jì)方案。目前通過變換列車外形結(jié)構(gòu)來改善氣動(dòng)性能、多方案比選設(shè)計(jì)列車氣動(dòng)外形的方法受到多方面條件的限制：首先，初始設(shè)計(jì)方案必須依賴工程經(jīng)驗(yàn)，否則很難得到理想的氣動(dòng)外形；其次，每一次設(shè)計(jì)都要針對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行各種氣動(dòng)性能的分析，工作量很大；最后，列車外形參數(shù)對(duì)氣動(dòng)性能的影響是復(fù)雜、矛盾的，缺乏綜合優(yōu)化的話很難得到各方面氣動(dòng)性能都很好的氣動(dòng)外形。亟待研究列車氣動(dòng)性能/外形/結(jié)構(gòu)/環(huán)境耦合機(jī)理及協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在提供于一種基于多學(xué)科設(shè)計(jì)的高速列車頭部外形協(xié)同設(shè)計(jì)方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)缺陷。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于多學(xué)科設(shè)計(jì)的高速列車頭部外形協(xié)同設(shè)計(jì)方法，參見圖1，包括以下步驟：

S1：根據(jù)高速列車頭部外形的設(shè)計(jì)要求對(duì)高速列車頭部外形進(jìn)行參數(shù)化建模生成多個(gè)三維頭型；

S2：采用CFD計(jì)算程序耦合網(wǎng)格變形技術(shù)對(duì)三維頭型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和流場計(jì)算，獲取高速列車氣動(dòng)性能，建立氣動(dòng)性能與三維頭型之間的廣義非線性模型；

S3：對(duì)廣義非線性模型進(jìn)行多科學(xué)設(shè)計(jì)生成滿足氣動(dòng)性能要求的高速列車頭部外形。

優(yōu)選地，S1中對(duì)高速列車頭部外形的進(jìn)行參數(shù)化建模包括以下步驟：