[发明专利]高速列车车头优化设计方法

说明书

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，用统一的数举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，并且可以缩短研制周期，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会车压力波，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纵向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，根据需要增加 辅助控制型线数量对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。

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。

附图说明

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；