本研究方向围绕高速铁路引起的环境振动和噪声问题开展研究，主要研究内容如下：

在载运工具振动与噪声控制方面：本学科团队以高速列车关系问题为研究突破口，从轮轨滚动摩擦特性入手，依托国家自然科学基金项目“高速列车轮轨滚动函数型摩擦系数研究及其对轮轨表面损伤的影响（51005075）”，深入研究了高速列车轮轨滚动接触函数型摩擦模型，并由此详细分析函数型摩擦系数下高速列车轮轨滚动接触特性以及接触动力学特性。依托国家自然科学基金项目“轮轨系统空间耦合振动行为下的高速列车车轮谐波磨耗机理研究（51565013）”进一步研究高速列车轮轨滚动接触空间耦合振动问题以及由此引发的高速列车车轮谐波磨耗问题和谐波磨耗对于高速列车动力学性能的影响。同时，以减阻降噪为目的，考虑我国不同地区或线路工况对列车气动性能要求的侧重点不同，依托国家自然科学基金项目“基于CFD的高速列车外形谱系化设计理论与方法研究（51465018）”开展了高速列车头型谱系化设计研究。目前各项项目进展顺利，研究成果为高速列车运行维护部门提供了技术支撑，有一定的理论意义和工程价值。

振动与噪声控制研究团队在高速列车轮轨滚动摩擦特性、轮轨接触空间耦合振动、高速列车外形谱系化设计等方面取得阶段性成果，获批国家自然科学基金项目3项，省部级项目4项。同时申请了高速列车轮轨摩擦、振动相关的专利4项，开发了轮轨限界等工装设备2套。高速列车轮轨摩擦相关研究成果获得江西省教育厅科技成果二等奖。主要研究工作有：

1. 高速列车轮轨材料间摩擦系数的数值模拟与实验研究

众所周知，构成轮轨钢材的主要成分为Fe，然后含有少量的C,Mn，Si，Cr等元素，影响轮轨材料间摩擦系数主要由Fe成分造成。对于轮轨材料，由于原子间相互作用势以及粒子构建模型方面现阶段领域内分子模拟所限，所以在数值分析时，不考虑其它杂质成分，只用理想Fe/Fe为接触表面建立分子动力学模型，摩擦副间无介入第三介质。单晶铁纳米摩擦三维(3D)分子动力学模型如图4.15。

图4.15 分子动力学三维模型

采用不同的法向载荷（25nN，35nN，45nN，55nN）来研究其摩擦过程的影响。随着法向载荷的增加，原子间的界面势能也随之升高，势能的增加，又会导致原子受迫振动的温升急剧增加，接触界面的温升剧烈增加，这与实际的摩擦工况是吻合的。

图4.16 不同法向载荷时牛顿层温度变化情况

图4.16是在不同法向载荷下基体温度的变化情况。摩擦前，在4种法向载荷下都处于相同的温度（293K）。随着滑动摩擦的开始，基体牛顿层的温度逐渐增加。这是由于随着摩擦距离的增加，对偶对基体做的功增多，在基体中不断积累塑性变形，基体中的原子间的相互作用也越来越显著。

轮轨间的作用是列车运行过程最重要的摩擦副作用。在轮轨摩擦过程中，不仅存在相对横向滑动摩擦运动，也存在径向滑动摩擦运动，而且钢轮与钢轨之间还存在着相互转动的作用。车辆在运动的过程中，较大的载荷会使轨道变形或者高频振动，产生的较大接触应力会产生弹塑性变形。轮轨间接触面的表面粗糙度以及是否洁净，都会对摩擦系数产生影响。由于实验条件的限制，在考虑轮轨间摩擦作用时主要考虑其相对滑动摩擦，采用试样试验的方法来研究轮轨试样在改变不同条件下的摩擦行为。实验设备如图4.17，图4.18，图4.19，图4.20，图4.21 。

 图4.17  UMT-3MT摩擦磨损试验机 图4.18 JSM-5600LV型扫描电子显微镜

图4.19  飞利浦X射线衍射仪     图4.20 X射线光电子能谱仪

图4.21  MicroXAM型非接触三维表面轮廓仪

利用UMT-3MT摩擦试验机对样品的摩擦学性能进行评价，所有样品的测试环境条件为：温度控制在25℃，湿度为40RH±5%，滑动时间为30min。

图4.22  不同载荷摩擦系数随滑动时间的变化曲线

由图4.22而知，实验温度为25℃，往复速度为0.05m/s时，实验时间为30min中内，载荷为2N时，平均摩擦因数为0.66，0-100s内摩擦因数按基本不变的斜率逐渐增加到最大值，然后100s-1800s，摩擦因素降低并在一定范围内波动，呈现一定的周期性，平均摩擦系数为0.66。分析可知，由于载荷过小（载荷200g，2N），摩擦行为多发生在接触外表面，分子力之间的作用还比较明显。

表4.1  平均摩擦因数

由表4.1可知，对象为光洁钢轨表面，实验时在载荷为2N-10N，摩擦因数随载荷的增加而降低。 

2. 摩擦系数对轮轨滚动接触弹塑性计算的影响分析

以CRH2的轮轨系统为研究对象，其中车轮为直径860 mm的磨耗型踏面轮对（LMA踏面），车轴长为2298mm，钢轨为国产60 kg·m-1钢轨，轨底坡为1/40，轨距为1435mm，利用非线性有限元软件ABAQUS对轮轨接触几何模型进行离散。其中车轮材料的本构关系由日本铁道技术研究所提供的试验数据确定，钢轨材料本构关系由中国铁道科学研究院提供的试验数据确定，车轮和钢轨材料塑性应变与真实应力的关系如图4.23所示。有限元模型中假定车轮和钢轨的弹性模量和泊松比相同，分别为2.05×105 MPa和0.3。

                （a）钢轨材料                  （b）车轮材料

图4.23 塑性应变与真实应力的关系曲线

一般来说，在低速、干燥条件下的轮轨摩擦系数为03.-0.5；当轮轨遭受雨雪或油污污染时，则其摩擦系数将大大降低，一般在0.05-0.1之间，甚至更低。由接触力学可知，两物体间摩擦系数直接影响二者的接触特性。

根据轮轨滚动接触摩擦系数的取值范围，选择几种有代表性的摩擦系数取值进行具体分析，分别为0.05,0.1,0.2,0.3和0.5，另外分析过程当中轴重G取14t，牵引力矩M为1500N·m，此时轮对无横移和冲角。

由表4.2所示结果可以看出摩擦系数主要影响钢轨表面接触区的剪切力，随着摩擦系数增大，接触斑内的最大纵向剪切应力和最大横向剪切应力也随之增大，这充分验证了摩擦系数增加能增大轮轨黏着力的结论。同时，在轮轨接触斑内的摩擦力分布也与轮轨间摩擦系数密切相关，由于牵引力矩的作用，轮轨间纵向摩擦力随着摩擦系数增大略有增加，但轮轨间横向摩擦力增加明显，这就导致了轮轨接触斑中心的摩擦力矢量变化较大如图4.24所示。

3. 函数型摩擦系数条件下的轮轨滚动接触有限元分析

要准确分析轮轨滚动接触特性问题，应该采用反应轮轨真实状态的函数型摩擦系数进行轮轨滚动接触分析，采用试样试验的方法所建立的轮轨函数型摩擦系数虽然反应了一定的轮轨摩擦规律，但还需要进一步验证。故采用了较为经典的经验型函数型摩擦系数模型和Popov提出的轮轨函数型摩擦系数模型进行轮轨滚动接触有限元分析。

表4.2 不同摩擦系数条件下的轮轨滚动接触特性计算结果

   （a）u=0.1                (b)u=0.3                (c)u=0.5

图4.24 不同摩擦系数条件下的摩擦力矢量分布

摩擦系数取值方式不一样，对接触斑面积和最大法向接触应力影响不大，均在1%以内，但对接触区最大Mises应力、最大纵向切应力、最大横向切应力和最大等效塑性应变影响较大，特别是对最大纵向切应力影响幅度近20%。摩擦系数不仅对轮轨接触区的应力应变最大值有明显影响，对接触斑内应力应变分布的影响也比较大，图4.25为接触斑内接触应力分布图，当摩擦系数为滑动速度相关的函数型摩擦系数时，接触应力更为集中，接触斑空间应力分布椭球更为狭长。而通过如图4.26所示的接触斑内蠕滑力矢量分布图可知，当摩擦系数与滑动速度相关时，接触斑内蠕滑力也主要集中在接触斑中心，接触斑外边缘处由于存在蠕滑，摩擦系数一般小于0.365，所以其矢量相对于摩擦系数取0.365时明显变小。总的来说，取反映轮轨间真实摩擦状态的函数型摩擦系数进行轮轨滚动接触分析是非常必要的。

 (a)                                                  (b)  

图4.25接触斑内接触应力分布   

                (a)                       (b)  

图4.26 接触斑内蠕滑力矢量分布图

列车在正常行驶过程中，轮轨间的滑动主要由轮轨材料发生弹性变形引起，处于蠕滑阶段，而在紧急制动或钢轨表面遭遇极为严重的污染时轮轨表面间可能出现完全滑动，图4.27所示为不同工况下接触斑内轮轨黏滑区分布图。自由滚动工况下，轮轨间无蠕滑，接触斑内各点为全黏着点，如图4.27（a）所示，这种情况在轮轨滚动过程中是不会出现的，是一种理想情况；当轮轨间遭遇极低的摩擦系数时可能出现短暂的全滑动，此时轮轨接触斑为完全蠕滑状态如图4.27（b）所示；最为常见的当然是如图4.27（c）所示的轮轨接触区的蠕滑状态，此时在接触斑大部分为黏着区，而接触斑外侧有局部蠕滑区，由于摩擦系数与滑动速度相关，因此蠕滑接触点分布也并不规则。

（a）自由滚动             （b）蠕滑牵引            （c）滑动牵引    

△为黏着区， 为蠕滑区， 为非接触区

图4.27 不同工况下接触斑内轮轨黏着蠕滑区分布图

近期，本研究团队以CRH2型高速列车为研究对象，运用多体动力学软件UM参数化建立头车模型如图4.28所示，主要简化为车体、构架、轮对三类质量体以及相互连接的两系悬挂部件。考虑各质量体的刚性特征，共计50个自由度。考虑轮轨接触几何关系的非线性、横向止档的非线性、抗蛇行减震器的非线性、一系悬挂的非线性等等。施加UIC轨道不平顺，采用Kalker非线性蠕滑理论对不圆顺轮对下的轮轨接触蠕滑力进行计算，车速取=200km/h。根据实测统计数据中最常见的一阶，三阶，六阶，十一阶和十五阶谐波磨耗以及波深0.1mm,0.3mm的十种不同形式下车轮的蠕滑率/力进行分析。结果表明：谐波阶数和波深的增加均导致纵向蠕滑力增加，而横向蠕滑力变化不大；谐波阶数和波深的增加使得横向蠕滑率减少，纵向蠕滑率变化不大，但纵向蠕滑率比无谐波磨耗时增加14.15倍。当车轮达到六阶谐波磨耗，波深0.3mm后发生接触脱离，且接触脱离现象随着阶数，波深增加而加剧。

图4.28 高速列头车动力学数值模型

为了进一步揭示车轮谐波磨耗的形成机理。本研究团队目前从高速车轮谐波磨耗现场测试数据出发，建立列车/轨道参数、轮轨系统振动行为和车轮谐波磨耗三者的关联关系，系统分析高速列车车轮谐波磨耗成因。首先，全面调查分析我国主流车型车轮谐波磨耗现状及其轮轨系统振动行为下的形成发展规律；接着，基于车辆/轨道耦合动力学、轮轨摩擦模型、数值计算方法等多学科理论，集成高速轮轨函数型摩擦模型建立刚柔耦合高速列车轮轨空间耦合振动模型；在此基础上分析列车/轨道参数的变化对高速轮轨空间耦合振动行为的影响，并建立列车/轨道参数与不同振动行为之间的映射关系；最后，构建高速轮轨滚动接触瞬态有限元模型，分析不同振动行为下的轮轨滚动接触特性和车轮踏面材料特性及磨耗指数的变化规律，从而最终揭示振动行为下高速车轮谐波磨耗机理。

4. 高速列车减阻降噪

本团队通过理论分析、数值仿真和模型实验相结合的手段，对基于CFD的高速列车头形谱系化设计理论与方法进行研究。符号公式推导部分采用Maple语言，高速列车流场、结构仿真分析在ANSYS workbench平台完成，编程及列车头形谱系化平台搭建由C语言实现。

（1）典型线路工况选取与优化建模

对我国高速铁路线路运行环境进行调查，选取典型的线路工况。对我国动车组实际运行中存在的气动力学问题进行调研，结合动车组制造和运营单位的需求，制定典型线路工况下高速列车头形设计性能指标。根据列车设计工艺和有关标准要求选择头形设计参数及其变化范围，建立各典型线路工况下列车头形设计优化模型。

（2）列车头形混合参数化建模

针对几何参数化效率偏低、网格参数化不宜用于大变形的不足，采用“几何+网格”混合方法对高速列车头形进行参数化建模。对车头、车尾周围优化设计变量变化范围较大的区域采用几何参数建模，其它变形较小的区域采用网格参数化建模，在确保模型质量的同时提高设计效率。

（3）高速列车外形MDO建模

在深入分析学科间耦合关系的基础上，建立基于知识领域的学科分解模型，并利用测试函数测试其合理性；利用基于最优化理论与大系统优化理论的学科协调策略，建立系统分析模型和优化模型，建立各种典型线路工况下高速列车外形MDO模型。

根据试验设计所提供的初始种子点xi(i =1,2,…,n)，利用上述高速列车外形MDO分析框架调用ANSYS workbench平台下相应的求解器，对各典型线路工况下高速列车外形MDO模型进行求解，获得响应值yi(i =1,2,…,n)。

（4）基于CFD的高速列车头形谱系化设计

研究近似模型精度的评价标准和方法，利用标准测试函数，对工程中常用的试验设计方法、近似模型及其组合在列车头形设计中的适应性进行研究；在深入分析GA和PSO算法理论基础上，把PSO算法粒子速度更新与GA算法种群选择、交叉策略有机结合在一起，提出GA-PSO组合算法，利用GA搜索能力强的优势进行全局搜索，而PSO执行局部搜索，从而最大限度地发挥两算法的优点；研究基于GA-PSO算法的进化多目标优化算法，并分析算法的搜索能力及适用性；利用C高级语言搭建并高速列车头形谱系化设计平台。

在上述设计平台下，利用样本点集{(xi，yi)，i=1,2,…,n}构建高速列车头形谱系化设计近似模型并进行优化。获得最优方案后，对最优解的预测值分别与CFD结果、模型实验值进行比较，如果误差在可接受范围，则设计结束；否则，把当前方案加入上述样本点集并重新构建近似模型，然后再进行优化，直至误差在可接受范围之内。

初步建立了基于CFD的高速列车外形谱系化设计理论和方法，完善了高速列车设计体系，为我国高速列车减阻降噪外形设计提供参考和指导。