高速列车气动外形多目标优化设计.docxVIP

高速列车气动外形多目标优化设计

李明1，李国清，孔繁冰

（唐山轨道客车有限责任公司产品技术研究中心）

摘要：降低列车运行阻力是实现高速列车速度能力提升、节能环保的有效手段。本文建立

了参数化驱动的高速列车气动外形自动计算的优化分析流程，运用基于多目标遗传算法

NSGA-II的整体多目标优化设计方法，对鼻尖高度、车钩区域顶端高度、司机室挡风玻璃高

度、水平最大外轮廓线宽度、横向辅助控制线、转向架区域裙板离摇枕距离等关键设计变量

进行了与气动特性相关的敏度分析，提出了综合性能较佳的气动外形方案。本文的研究方法

为高速列车气动外形设计提供了一种科学、严谨的优化设计方法，对高速列车设计水平的提

升有积极的促进作用。

关键字：参数化驱动，阻力，多目标优化，高速列车

随着列车运行速度的提高，气动效应对高速列车的影响加剧，气动阻力随列车速度的平

方增加，而所需功率随速度的立方增加，直接影响到其提速和节能环保的能力[1,2]。高速列车的气动性能与列车的外形有着密切的关系。列车气动外形优化设计，可以有效缩短新头型的设计周期，提高高速列车的优化设计效率，在高速动车组的设计研发过程中占有至关重要的地位[3-5]。

近年来，国内外学者开始结合CFD技术和优化算法进行高速列车气动外形优化设计方

法的研究。文献[6,7]针对列车纵剖面型线，进行了列车以减小微气压波为目标的气动外形优

化设计。文献[8]创建了高速列车头型网格划分、边界条件设置、求解分析、优化设计的自

动优化分析流程。文献[9]提出了结合遗传算法和任意网格变形技术的优化方法，在设计参

数较少的情况下，这种方法能在一定程度上减少流场计算次数，缩短设计周期。文献[10]总

结了国内高速列车车头专利及设计技术，对列车车头的参数化建模、二维流动计算方面进行

了探讨。

本文基于多目标优化设计方法，利用Isight软件搭建高速动车组气动外形气动性能自动

优化设计平台。Isight是一个仿真分析流程自动化和多学科多目标优化工具，它提供了一个

可视化的灵活的仿真流程搭建平台，提供与多种CAE分析工具的专用接口，同时提供大量

优化分析方法，可自动进行多次分析循环并对比分析设计变量与产品之间的关系，深入挖掘产品性能及优化空间[11]。本文运用基于多目标遗传算法NSGA-II的整体多目标优化设计方法，对鼻尖高度、车钩区域顶端高度、司机室挡风玻璃高度、水平最大外轮廓线宽度、横向辅助控制线、转向架区域裙板离摇枕距离等关键设计变量进行了与气动特性相关的敏度分析，在此基础上提出了综合性能较佳的新头型气动外形。

1多目标优化设计流程

根据高速动车组气动外形优化设计流程图，可以确定气动外形优化设计的技术路线，主

要有如下几个阶段：

(1)气动外形参数化模型设计

高速动车组气动外形参数化模型设计需要通过外形控制参数和控制型线来实现。外形控

1作者简介：李明，男，工学博士学位，工程师，多学科优化及空气动力学方面研究。联系电话

e-mail:sjc-liming@。

制参数包括头型风格、头部长度、客室型式、宽度、高度、倾斜度、转向架区域参数等。控

制型线主要有纵向、横向、水平剖面的最大轮廓线，可以分为主控制型线和中间控制型线，

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，中间控

制型线则根据具体的需要进行选择。控制型线主要作为优化设计参数，而外形控制参数则决

定约束条件。

(2)高速动车组空气动力学计算网格自动划分

将CAD软件建立的高速动车组模型导入网格划分软件（ICEM）中，在网格划分软件中

进行高速动车组基本气动性能、横风性能等的计算网格的划分，并建立整个网格划分流程的

命令流文件。通过执行命令流文件可以实现高速动车组空气动力学计算网格的自动划分，也

便于将网格划分软件集成到Isight软件中。

(3)高速动车组空气动力学自动计算

将高速列车基本气动性能、横风性能等的计算网格导入到Fluent软件中进行高速列车

空气动力学计算，并创建可集成于Isight软件计算流程的命令流文件，以实现气动性能的自

动计算。

(4)建立基于Isight软件的头型优化设计流程

将CAD软件、网格划分软件、Fluent软件集成到Isight软件中，在Isight软件中实现几

何模型的自动修改、网格的自动划分和空气动力学自动计算。

(5)基于Isight软件的优化分析

在Isight软件中建立优化设计变量及优化目标，通过对高速动车组头型参数进行优化设

计，获得气动性能最佳的头部外形参数。

2高速列车气动外形的参数化模型

本文以三维造型软件CATIA为设计平台，结合人机工程学，采用三维变量化技术