楊國偉

(中國科學(xué)院力學(xué)研究所流固耦合系統(tǒng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

我國高速鐵路運(yùn)營里程及高速動車組保有量均占世界2/3 以上,穩(wěn)居世界第一.我國高速鐵路“四縱四橫”干線網(wǎng)已建設(shè)完成,并正在以形成“八縱八橫”主通道為骨架、區(qū)域連接線銜接、城際鐵路補(bǔ)充的高速鐵路網(wǎng)方向發(fā)展。高速列車作為高速鐵路核心裝備，是當(dāng)代多種尖端科技在交通領(lǐng)域上的充分運(yùn)用，其運(yùn)行速度、綜合舒適度、安全性、可靠性、節(jié)能環(huán)保等性能指標(biāo)代表了高速鐵路的科技水平.

《力學(xué)學(xué)報》組織了《高速列車設(shè)計和服役關(guān)鍵力學(xué)問題》9 篇研究或綜述論文，旨在反映我國高速列車骨干制造企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)、高等院校的科技人員在高速列車設(shè)計和服役關(guān)鍵力學(xué)問題的最新研究進(jìn)展，以促進(jìn)學(xué)術(shù)交流，供從事該行業(yè)和領(lǐng)域的讀者參考。

通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新,我國設(shè)計的高速列車運(yùn)行速度、綜合舒適度、安全性、可靠性、節(jié)能環(huán)保等各項(xiàng)綜合性能指標(biāo)優(yōu)良,部分指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平.本專題有4 篇文章與高速列車設(shè)計相關(guān)：中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司丁叁叁等人綜述了和諧號動車組、復(fù)興號動車組、城際動車組、前沿動車組產(chǎn)品的發(fā)展成就,分析了高速列車研發(fā)過程中面臨的復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性、大系統(tǒng)復(fù)雜耦合作用、安全可靠設(shè)計、智能化應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn),系統(tǒng)概述了高速列車故障預(yù)測與健康管理技術(shù)、車體輕量化技術(shù)、被動安全防護(hù)技術(shù)、碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用、氣動外形設(shè)計技術(shù)、高速轉(zhuǎn)向架技術(shù)、噪聲控制技術(shù)、牽引制動技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展及主要技術(shù)突破；中國科學(xué)院力學(xué)研究所孫振旭等主要圍繞“和諧號”和“復(fù)興號”這兩款主力車型的氣動性能提升，探討了高速列車空調(diào)導(dǎo)流罩、受電弓平臺、風(fēng)擋和轉(zhuǎn)向架裙板等幾類對列車阻力影響較為明顯的部件改型設(shè)計,并從頭型參數(shù)化方法、替代模型以及優(yōu)化算法改進(jìn)等三個方面詳述了高速列車流線型頭型優(yōu)化設(shè)計過程。郭易等利用中國科學(xué)院力學(xué)研究所研制的高速列車動模型實(shí)驗(yàn)平臺，開展了縮尺比列1:8 八編組高速列車列車風(fēng)的動模型實(shí)驗(yàn)研究,采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的系綜平均和方差分析，明晰了列車頭部穩(wěn)定列車風(fēng)及車身發(fā)展區(qū)和能量集中尾跡區(qū)的非定常特性；中國科學(xué)院力學(xué)研究所的吳孟臻等以弓網(wǎng)接觸力隨機(jī)統(tǒng)計特征作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),開展了受電弓動力學(xué)參數(shù)的敏度分析和優(yōu)化設(shè)計研究，建議同時減小弓頭等效阻尼和增大弓頭等效剛度,能夠?qū)崿F(xiàn)比單參數(shù)優(yōu)化更好的弓網(wǎng)耦合性能。

在高速列車發(fā)展初期,重點(diǎn)關(guān)注問題是如何保證高速列車高速、平穩(wěn)和安全運(yùn)行.隨著高速動車組大量在線運(yùn)營，高速列車的服役安全和關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)可靠性成為研究熱點(diǎn)。本專題有5 篇文章與高速列車服役相關(guān)：西南交通大學(xué)的張衛(wèi)華提出了基于循環(huán)變量法的長編組列車建模與計算方法,實(shí)現(xiàn)任意列車編組的仿真,得到不同編組位置車輛的服役狀態(tài);提出了滑移窗口的軌道建模與車線耦合計算方法,得到列車在任意長線路上運(yùn)行的服役狀態(tài);提出了基于時變參數(shù)的長期服役計算方法,實(shí)現(xiàn)列車在不同服役狀態(tài)與服役時間的服役模擬，最終實(shí)現(xiàn)了列車在不同壽命階段的服役模擬。北京交通大學(xué)的王曦等概述了高速列車軸承所處的復(fù)雜使用環(huán)境及運(yùn)用中的主要失效模式,分析了高速列車軸承可靠性評估所需的關(guān)鍵力學(xué)參量,強(qiáng)調(diào)了軸承內(nèi)部滾滑行為和載荷分布在可靠性評估和軸承狀態(tài)監(jiān)測中的重要作用，并從計算模型和測試技術(shù)等方面系統(tǒng)闡述了針對這兩個關(guān)鍵力學(xué)參量的研究進(jìn)展.北京交通大學(xué)的鄒驊等對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架承載系統(tǒng)的線性假設(shè)、穩(wěn)定假設(shè)及典型假設(shè)進(jìn)行了確認(rèn)研究;根據(jù)長期實(shí)測線路的動應(yīng)力數(shù)據(jù),將轉(zhuǎn)向架構(gòu)架典型應(yīng)力分區(qū)域編制應(yīng)力譜;根據(jù)構(gòu)架受力特點(diǎn)在試驗(yàn)臺中標(biāo)定各個載荷系下的載荷應(yīng)力傳遞關(guān)系,基于損傷一致性原則建立優(yōu)化函數(shù),得到一種適用于由線路實(shí)測動應(yīng)力大數(shù)據(jù)推導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)載荷譜的方法.該方法具有較高的精度,對構(gòu)架關(guān)鍵部位的考核實(shí)現(xiàn)了典型區(qū)域全覆蓋;相比國際通用規(guī)范,該方法對所有典型區(qū)域做到損傷再現(xiàn),所編制實(shí)驗(yàn)譜對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的考核更具有適用性.西南交通大學(xué)的吳圣川等采用空氣炮裝置開展高周疲勞試驗(yàn)獲得光滑試樣和異物致?lián)p小試樣的疲勞S-N 曲線，考慮載荷模式、表面質(zhì)量和尺寸系數(shù)推證出全尺寸車軸的疲勞性能。采用修正的Miner 理論公式估算含異物致?lián)p實(shí)物車軸的服役壽命，得到能夠滿足30 年服役壽命的結(jié)果。中車唐山機(jī)車車輛有限公司的李明等基于動靜態(tài)測試結(jié)合的分析方法，對不同運(yùn)行年限動車組在四級修前后的線路運(yùn)行氣動載荷和靜態(tài)氣密性進(jìn)行了測試研究，通過建立動靜態(tài)氣密性能分析模型獲得了動靜態(tài)氣密指數(shù)，總結(jié)了隧道條件、運(yùn)行速度等因素對車內(nèi)壓力波動和氣密性能的影響規(guī)律，同時針對典型氣密部件的泄漏量和泄露面積進(jìn)行分析，得到了氣密敏感部件影響度排序并提出了優(yōu)化方案。

十幾年來,以高速列車為代表的高速鐵路裝備在長期技術(shù)積累和自主研發(fā)基礎(chǔ)上,通過產(chǎn)學(xué)研用的舉國體制，經(jīng)過引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新、自主提升創(chuàng)新、全面創(chuàng)新和持續(xù)創(chuàng)新，我國成功研制了先進(jìn)的高速列車產(chǎn)品,使中國高速鐵路總體技術(shù)水平居于世界前列。由于篇幅限制，本專題就高速列車設(shè)計和服役關(guān)鍵力學(xué)問題研究方面組織了9 篇論文，僅從一個側(cè)面反映我國科技工作者在中國高速鐵路發(fā)展過程中的研究成果和支撐作用。隨著我國川藏鐵路的開工建設(shè)、“一帶一路”和“走出去”等國家戰(zhàn)略的實(shí)施，需要我們積極應(yīng)對高速鐵路的環(huán)境適應(yīng)性、安全性、可靠性、能效及智能化等帶來的新挑戰(zhàn)，持續(xù)推動高速鐵路裝備的引領(lǐng)發(fā)展.