专利名称：：高速列车车头优化设计方法
技术领域：
：本发明涉及一种列车车头的设计方法，尤其是一种高速列车车头的优化设计方法。
背景技术：
：现有的流线型高速列车头部外形的设计方法主要有三种手工设计型线，用计算机绘制Coons曲面或者非均匀有理B样条(NURBS)曲面，用某个统一的数学函数来描述。由于流线型列车的头车外形是一种复杂的空间三维曲面，手工设计型线很难处理；当外形曲面上含有指定要求的规则解析曲面时，用统一的数学函数来描述的方法将无能为力。因此比较适合的是采用Coons曲面或者非均匀有理样条NURBS曲面。此外，中国发明专利公开说明书CN1634735A(公开日2005年7月6日)公开的一件专利"流线型列车头部外形与结构的设计、加工方法"，是先将输入的控制点合成NURBS曲线，形成主型线；再根据生成外形曲面的需要适当增加中间控制型线；再对这些型线进行空间动态修改，使其构成一组空间网状控制型线；然后将这些型线在空间断开，连成三维外形曲面片；再将这些曲面片在空间相切，就组成了所需的外形曲面。对产生的外形曲面用曲面光照、等高线等多种曲线光顺方法进行检验，得到最终的外形曲面。这种方法有以下缺点(1)操作繁琐。NURBS曲线需要输入的控制点比较多。例如为了用一个外切正方形作为控制多边形来定义一个整圆，NURBS曲线需要7个控制顶点和10个节点。而传统的表示只需要给出圆心、半径和垂直于圆所在平面的法矢量。在三维空间，用NURBS方法定义一个整圆需要38个数据，而传统的方法只要求7个数据；(2)没有考虑通过优化控制型线来减少阻力和会车压力波的要求。优化方法要求调节的参数尽可能的少，以方便实现，而NURBS曲线的控制参数太多，很难实现高效优化。
发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种高速列车车头优化设计方法，能够减少高速列车的阻力，并且可以縮短研制周期，减轻设计人员的劳动强度，实现高速列车车头的快速高效的设计。为解决上述技术问题，本发明高速列车车头优化设计方法的技术方案是，包括如下步骤(1)建立高速列车车头的参数化模型，其中包括描绘列车的头部形状的三条主控制型线和两条辅助控制型线，所述三条主控制型线包括纵向对称面最大控制型线、俯视最大控制型线和车体截面外廓型线，所述两条辅助控制型线使车头背部和侧面光滑连接，所述纵向对称面最大控制型线主要控制列车的阻力，所述俯视最大控制型线主要控制列车的交会压力波，所述车体截面外廓型线保持与现有的高速列车相同；(2)纵向对称面最大控制型线和俯视最大控制型线用二次曲线来表示，每条二次曲线用3个参数来控制，所述3个参数分别是列车头部长度、角度和形状参数，纵向对称面最大控制型线和俯视最大控制型线共由6个参数控制，根据现有高速列车车头的外形，对这6个参数选取合理的变化范围，并取具体数值，分别对纵向对称面最大控制型线和俯视最大控制型线的参数排列组合，列出数据设计表；(3)根据所述设计表中的参数，利用计算流体动力学(CFD)软件分别对纵向对称面最大控制型线和俯视最大控制型线的试验方案进行二维流动计算，对纵向对称面最大控制型线的试验方案计算阻力，选取使得阻力系数最小的参数值作为对称面最大控制型线的参数，对俯视最大控制型线的试验方案计算会车压力波的幅值，选取使得会车压力波的幅值最小的参数值作为俯视最大控制型线的参数；(4)根据所选取的纵向对称面最大控制型线和俯视最大控制型线的参数，结合车体截面外廓型线通过无限插值得到Coons曲面，或者采用NURBS曲面，根据需要增加辅助控制型线对Coons曲面进行必要的修改，确定三维高速列车车头模型；(5)对三维高速列车车头模型开展三维流动计算，计算得到的阻力与现有的高速列车相比，验证阻力是否减小，如果是，则设计完成；如果不是，再回到第(2)步，更改6个参数的变化围，重复第(3)步到第(5)步。本发明通过采用上述方法，减少了高速列车的阻力，并且縮短了研制周期，减轻了设计人员的劳动强度，实现高速列车车头的快速高效的设计。下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明图1为高速列车车头各控制线的示意图；图2为高速列车车头控制型线各参数的示意图；图3为水平型面测点的示意图4为采用本发明高速列车车头优化设计方法得到的列车车头模型图；图5为采用本发明高速列车车头优化设计方法得到的列车车头与现有的列车车头相比较的示意图。具体实施例方式本发明通过参数建模，建立磁悬浮列车车头的参数化模型，然后采用计算流体力学(CFD)软件进行流动计算，利用正交设计表或者均匀设计表分别对纵向型面和水平型面进行二维的优化。随后根据纵向型面和水平型面通过无限插值得到Coons曲面，按照需要增加辅助控制型线对Coons曲面进行必要的修改，确定三维列车车头模型，最后对三维列车车头模型开展三维流动计算，与现有的磁悬浮列车进行比较，以确认是否实现减阻的目标。具体包括如下步骤(1)建立高速列车车头的参数化模型，通过对现有的磁悬浮列车车头的分析，列车的头部形状由三条主控制型线和两条辅助控制型线来控制。三条主控制型线为纵向对称面最大控制型线、俯视最大控制型线和车体截面外廓型线。两条辅助控制型线主要使车头背部和侧面光滑连接。如图1所示，A线为纵向对称面最大控制型线，D线为俯视最大控制型线，E线为车体截面外廓型线，B线和C线为辅助控制型线。所述纵向对称面最大控制型线主要控制列车的阻力，所述俯视最大控制型线主要控制列车的交会压力波，所述车体截面外廓型线保持与现有的高速列车相同。(2)纵向对称面最大控制型线和俯视最大控制型线用二次曲线来表示，每条二次曲线用3个参数来控制，所述3个参数分别是列车头部长度L、角度e和形状参数p，纵向对称面最大控制型线和俯视最大控制型线共由6个参数控制，根据现有高速列车车头的外形，对这6个参数选取合理的变化范围，并取具体数值，分别对纵向对称面最大控制型线和俯视最大控制型线的参数排列组合，列出数据设计表。如图2所示，其中AB是一条二次曲线，AC和BC分别是A点和B点的切线，M是AB的中点，S是MC和AB的交点，L为列车头部的长度，ZACM为角度9，形状参数p的定义为SM线段与CS线段之比，即p=MS/MC。二次曲线由预定的起点A和终点B以及这些点处所希望的切线方向(C点)决定；并通过二次曲线的形状参数p控制曲线形状p大于0.5、等于0.5和小于0.5分别对应着双曲线、抛物线和椭圆。特别是当p—l时，曲线趋于折线ACB;当p—0时，曲线趋于直线AB;当p二0.4142且CM为AB的垂直平分线时为圆弧。对于A线，所取的参数范围包括3个水平，如表1所示，表l<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>利用正交设计表对表1的数据进行组合，可以得到表2的数据组合:表2<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>15.18757.60.4625.187500.3635.187650.564657.60.366500.5666650.4657.60.568500.4697650.36对于D线，由于其角度参数为90，可以为定值，所以变化范围只限于列车头部长度L和形状参数p,如表3所示，表3参数水平l水平2水平3头部长度丄(米)5.1876形状参数p0.50.60.7利用正交设计表对表3的数据进行组合，可以得到表4的数据组合:表4试验方案123456789形状参数p0.50.50.50.60.60.60.70.70.7头部长度丄(米)5.1876.07.05.1876.07.05.1876.07.0(3)根据所述设计表中的参数，利用计算流体动力学(CFD)软件分别对纵向对称面最大控制型线和俯视最大控制型线的试验方案进行二维流动计算，对纵向对称面最大控制型线的试验方案计算阻力，选取使得阻力系数最小的参数值作为对称面最大控制型线的参数，对俯视最大控制型线的试验方案计算会车压力波的幅值，选取使得会车压力波的幅值最小的参数值作为俯视最大控制型线的参数。所述步骤(2)中，列出的数据设计表为正交设计表或者均匀设计表，在步骤(3)中，如果选取的参数组合未在正交设计表或者均匀设计表中出现，则对所述选取的参数组合计算阻力，验证得到的阻力是否是最小的。采用这种方法，可以大大减少运算量，提高设计效率。对于A线，对表2的参数进行计算，得到如表5所示的数据表5<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>其中，表5中的序号与表2中的序号相对应，对表5中序号为19的数据进行分析，用Id表示第一种水平试验的阻力系数之和，为K,的算术平均值，即K二Ky3;用K2表示第一种水平试验的阻力系数之和，[为K2的算术平均值，即二1(2/3;用K3表示第一种水平试验的阻力系数之和，为K3的算术平均值，即=1(3/3，极差为『、5和5中最大值和最小值的差值，反映了因子变化时，目标函数变化的幅度，如表6所示，<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>对表6进行分析可以得到以下结论从上表中可以看出阻力系数随三个参数的变化规律(1)随着长度的增加，阻力系数减少；(2)随着角度e的增加，阻力系数增加；(3)随着形状参数P的增加，阻力系数增加。根据极差的大小可以判断，这三个参数影响阻力系数的主次顺序为角度9、长度L和形状参数P。因为极差越大，说明与其对应的因子对阻力系数的影响越显著，阻力系数对因子的水平变化越敏感。步骤(3)中对于纵向对称面最大控制型线除计算阻力外，还计算升力，确定根据选取的参数所计算的升力是否在安全范围之内；如果比其它大多数参数组合所得到的升力都小，则回到第(2)步重新确定参数范围。如果升力过大，会导致高速列车在运行时失去控制。但是，在保证安全的范围内，较大的升力可以降低对高速列车支承力的要求，所以还是有好处的。因此，最优的试验方案是L3—92_P2。把这种方案命名为第10种，计算结果如表5中序号10，确实这种方案的阻力系数最小，同时这种方案的升力系数也较大，仅次于第7种和第8种。表5中，TR08为现有高速列车的参数计算值，与TR08的纵向型面相比，第10种方案的阻力系数下降了8%，升力增加了3.3%。对于D线，首先需要在列车上的头车、车厢和尾车上取3个测点，如图3所示，对于这3个测点采用表4的数据分别计算会车压力波，其中Pmax为会车压力波的最大值，Pmin为会车压力波的最小值，AP为会车压力波的幅值，MhM2和M3分别表示3个水平所对应的会车压力波的幅值之和，冗、冗和冗分别表示3个水平所对应的会车压力波的算术平均值。测点1的会车压力波的数据如表7所示，表7<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>测点1的会车压力波幅值的直观分析数据如表8所示，表8<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>测点2的会车压力波的数据如表9所示，表9<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>测点2的会车压力波幅值的直观分析数据如表10所示，表10<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>测点3的会车压力波的数据如表11所示，表ll<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>测点3的会车压力波幅值的直观分析数据如表12所示，表12<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>对表7表12的数据进行分析可以得到，形状参数对于会车压力波幅值的影响更大，而且形状参数越大，会车压力波的幅值越小；而列车头部长度越长，会车压力波也越小，因此L3-P3的数据最为合理。(4)根据所选取的纵向对称面最大控制型线和俯视最大控制型线的参数，结合车体截面外廓型线通过无限插值得到Coons曲面，或者采用NURBS曲面，根据需要增加辅助控制型线对Coons曲面进行必要的修改，确定三维高速列车车头模型，如图4所示；(5)对三维高速列车车头模型开展三维流动计算，计算得到的阻力与现有的高速列车相比，验证阻力是否减小，如果是，则设计完成；如果不是，再回到第(2)步，更改6个参数的变化范围，重复第(3)步到第(5)步。根据本发明优化的车头参数进行计算，得到的结果于现有的车头数据进行比较，如表13所示，表13<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>表13中的变化比例指(TR08的值一优化列车的值)/TR08的值。由表13可以看出，优化的车头的阻力比现有的车头大大降低。采用本发明得到的车头与现有的车头外型的比较可参见图5所示。与现有的技术相比，本发明具有如下优点1.车头表面建模简单方便，本发明选取了三条主控制型线和两条辅助控制型线，并且将三条主控制型线用二次曲线来表示，避免了采用手工设计型线的繁琐；由于二次曲线的控制参数比较少，避免了采用NURBS曲线控制参数多的缺点；采用两条辅助控制型线和Coons曲面生成，可以适用于一些复杂外形，避免了用某个统一的数学函数来描述车头适用范围较窄的不足。2.由于控制型线的参数少，可以方便地生成所需要的外形，使各种优化方法(如正交设计表等)可以有效的开展，满足工程实用的要求。3.控制型线的设计与CFD软件的计算密切相关，互相耦合，使生成的外形可以满足减少阻力的目标，以提高速度，减少能耗。同时本发明纵向对称面最大控制型线主要控制列车的阻力和升力，俯视最大控制型线主要控制列车的交会压力波，分别对这两种型线采用二维流动计算，可以在较短的时间内得到优化的方案。避免了完全采用三维流动计算进行优化的费时费力。权利要求1.一种高速列车车头优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤(1)建立高速列车车头的参数化模型，其中包括描绘列车的头部形状的三条主控制型线和两条辅助控制型线，所述三条主控制型线包括纵向对称面最大控制型线、俯视最大控制型线和车体截面外廓型线，所述两条辅助控制型线使车头背部和侧面光滑连接，所述纵向对称面最大控制型线主要控制列车的阻力，所述俯视最大控制型线主要控制列车的交会压力波，所述车体截面外廓型线保持与现有的高速列车相同；(2)纵向对称面最大控制型线和俯视最大控制型线用二次曲线来表示，每条二次曲线用3个参数来控制，所述3个参数分别是列车头部长度、角度和形状参数，纵向对称面最大控制型线和俯视最大控制型线共由6个参数控制，根据现有高速列车车头的外形，对这6个参数选取合理的变化范围，并取具体数值，分别对纵向对称面最大控制型线和俯视最大控制型线的参数排列组合，列出数据设计表；(3)根据所述设计表中的参数，利用计算流体动力学(CFD)软件分别对纵向对称面最大控制型线和俯视最大控制型线的试验方案进行二维流动计算，对纵向对称面最大控制型线的试验方案计算阻力，选取使得阻力系数最小的参数值作为对称面最大控制型线的参数，对俯视最大控制型线的试验方案计算会车压力波的幅值，选取使得会车压力波的幅值最小的参数值作为俯视最大控制型线的参数；(4)根据所选取的纵向对称面最大控制型线和俯视最大控制型线的参数，结合车体截面外廓型线通过无限插值得到Coons曲面，或者采用NURBS曲面，根据需要增加辅助控制型线对Coons曲面进行必要的修改，确定三维高速列车车头模型；(5)对三维高速列车车头模型开展三维流动计算，计算得到的阻力与现有的高速列车相比，验证阻力是否减小，如果是，则设计完成；如果不是，再回到第(2)步，更改6个参数的变化范围，重复第(3)步到第(5)步。2.根据权利要求1所述的高速列车车头优化设计方法，其特征在于，步骤(3)中对于纵向对称面最大控制型线除计算阻力外，还计算升力，确定根据选取的参数所计算的升力是否在安全范围之内；如果比其它大多数参数组合所得到的升力都小，则回到第(2)步重新确定参数范围。3.根据权利要求1所述的高速列车车头优化设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中，列出的数据设计表为正交设计表或者均匀设计表，在步骤(3)中，如果选取的参数组合未在正交设计表或者均匀设计表中出现，则对所述选取的参数组合计算阻力，验证得到的阻力是否是最小的。4.根据权利要求1所述的高速列车车头优化设计方法，其特征在于，所述俯视最大控制型线的角度参数为90。全文摘要本发明公开了一种高速列车车头优化设计方法，通过参数建模，建立磁悬浮列车车头的参数化模型，然后采用计算流体力学(CFD)软件进行流动计算，利用正交设计表或者均匀设计表分别对纵向型面和水平型面进行二维的优化，随后根据纵向型面和水平型面通过无限插值得到Coons曲面，按照需要增加辅助控制型线对Coons曲面进行必要的修改，确定三维列车车头模型，最后对三维列车车头模型开展三维流动计算，与现有的磁悬浮列车进行比较，以确认是否实现减阻的目标。本发明通过采用上述方法，减少了高速列车的阻力，并且缩短了研制周期，减轻了设计人员的劳动强度，实现高速列车车头的快速高效的设计。文档编号B61D17/00GK101290636SQ20071003958公开日2008年10月22日申请日期2007年4月18日优先权日2007年4月18日发明者乐嘉陵申请人:上海磁浮交通工程技术研究中心