在过去十年中，中国高速列车迎来了爆炸式的发展。从 CRH380A 系列列车开始，中国  高速列车的自主研发踏上了快速路，一系列外观优美、性能良好的高速列车蓬勃涌现，也吸  引着越来越多的人们选择高铁出行。在乘坐高速列车出行的同时，很多人们也存在一些疑问， 比如，高铁为什么可以跑这么快？这么快为什么还这么平稳？长时间运行的列车会不会不安  全？今天我们一起，深度剖析高铁设计背后的科学。

　　一、“风驰电掣”的背后

　　说起高速列车，我们印象最深的就是它 “子弹头”形状的流线型头型 ( 图 1)，与之 前方方正正的“绿皮车”有明显的区别。高 速列车从最初引进列车的运营速度 200km/ h， 逐渐提升到 300km/h、350km/h， 甚至 于正在研发的 400km/h，用风驰电掣形容绝 不为过。在这风驰电掣的背后面临的第一个 重要问题，就是降低运行空气阻力。但列车 运行时的空气阻力很大么，有必要这么重视 么？

图 1 高速列车的流线头型

　　列车运行时受到的空气阻力与速度的平 方成正比，因此，  “绿皮”列车运行就好比 我们在微风中行走，设计人员基本上不用专 门去考虑空气阻力的影响。可是，对于时速 200 公里以上的高速列车，空气阻力占列车 总阻力的 75% 以上，设计者需要利用空气动 力学原理，通过车头流线型、附属设备平顺 化等优化设计来尽量减少空气阻力。

　　降低列车运行时的空气阻力是高速列车 气动优化设计时的重要方向，但不是全部。 减小高速列车交会压力波和隧道压力波也是 设计者十分重视的问题。

　　列车会车时，相对运动的列车车头对空 气形成挤压，便会在列车交会内侧的侧壁上 产生压力波 ( 图 2)。列车速度越高，会车产 生的压力波也就越大。两列车相向交会运行 时产生的会车压力波作用在车体上会对列车 侧壁和侧窗强度、列车运行稳定性和旅客乘坐舒适性产生不利影响，甚至可能产生运行 安全问题， 如车体侧窗破碎、车辆蛇形运动、 轮缘与道轨因侧向冲击造成磨损等。如今 列车的运行速度都在 200km/h 以上甚至是 350km/h， 会车压力波的变化幅值和最大正、 负压力极值都会急剧增大，有可能带来更大 的负面效应。在列车气动外形设计方面，加 长列车流线型头部长度，采用扁宽型头型， 可以有效减小交会压力波幅值。

图 2 列车明线交会与会车压力波

　　高速列车在隧道内运行是最为复杂和 恶劣的运行工况。列车隧道工况运行时产生 的压力波在隧道内传播时，会使得列车表面压力在短时间内发生剧烈变化(图 3) ，这 种剧烈的压力变化不仅考验着列车车体的强 度，还考验着列车的气密性，如果列车气密 性较差，车外的压力波动会传入车内，引起 车内压力发生突变，造成乘客耳鸣，影响乘 坐舒适性。一般地，减小列车最大横截面积 与隧道横截面积的比值(阻塞比) ，可以有 效地减弱隧道压力波的强度，这也是高速列 车一直在追求“苗条”和“瘦身”的原因之一。

图 3 列车通过隧道与隧道压力波

　　在空气中高速前行的列车引起空气流动 紊乱，从而产生的气动噪声又是一个影响列 车乘坐舒适性的气动问题 ( 图 4)。

　　高速列车气动噪声能量与列车速度 的 6-8 次方成正比，如果把列车速度从 200km/h 提高到 300km/h， 气动噪声将提 高约 10 ─ 14 分贝。根据空气动力学原理， 设计人员把流线型车头设计的尖而长，把车 辆断面积尽量减小，同时让车体尽量平整光滑不要出现凹凸的部分。为了减小高速列车 气动噪声，除车体设计外，还要减小车辆顶 部受流系统引起的气动噪声，为此设计人员 对受电弓及其周边装置进行优化设计。安装 受电弓导流罩、开发低噪声受电弓、采用低 噪声绝缘子等来减少车顶受流系统的气动噪 声。

图 4 高速列车气动噪声实验

　　二、硬币为什么不倒？

　　前段时间，硬币在“复兴号”上长时间 竖立不到的视频刷爆朋友圈 ( 图 5)，硬币 8 分钟不倒，车厢里玩积木，这样的场景，相 信你已经见怪不怪了。但是，老话说的好， 吃水不忘挖井人， 能在“复兴号”里这么嗨， 都是车辆动力学设计的结果。

图 5 行驶列车中的硬币

　　车辆动力学是研究列车车辆系统运动规 律的学科，研究列车在各种运行条件时的运 行状态、动力学响应， 进而分析列车稳定性、 安全性和平稳性。

　　我们乘坐列车时，会感觉车辆发生横向 的一些晃动，这是高速列车在受到扰动情况 下，列车会出现的蛇行运动，即车辆横摆和 摇头的综合运动。蛇行运动是轮轨列车的一 种特有的运动，当列车在平直轨道上低速运 行时，蛇行运动的幅度会逐渐减小，存在一 个临界车速，即临界速度。当列车超过临界 速度之后，蛇行运动振幅不再衰减，意味着 车辆失去稳定。临界速度是考察列车安全性 的重要指标。

　　随着车速的增大，一些低速情况下不明 显的问题，在高速时变得尤为重要，这里面 比较典型的两点是气动载荷以及车轮高速旋 转时的陀螺效应。研究表明，5 级侧风产生 的气动载荷就会使得高速列车的临界速度降 低 10%-30%；而车轮陀螺效应在一定程度上 会改善车轮的稳定性，可以提高列车的临界 速度约 5-10%。

　　高速列车的轨道在实际上并不是光顺 的，由于长期的运行，钢轨受到磨损，表面 会出现不平整，轨道桥也会出现不同程度的 沉降，引起轨道的不平顺，高速运行时轮轨 的冲击会传递到车辆，引起车辆的振动。列 车明线运行时气动载荷十分明显，流场的紊 乱会引起气动力的波动，列车交会、过隧道 时会产生气动冲击波，这些气动载荷都会引 起车辆的振动。

　　为了保证高速列车的运行安全以及极好 的平稳性，离不开动力学的设计与优化。而 动力学优化设计的主要对象就是转向架。

　　转向架是高速动车组的“飞毛腿”。什  么是转向架？转向架是一个铁路车辆专用名  词，咋一听不好明白，实际上就是一个“小  车”。这是一个由两个轮对、一个构架加上  一些装置组成的“小车”，大小跟一辆普通  轿车差不多， 动车组车厢就搁在这种“小车” 上，而且可以有一定程度的转动， 这种“小车” 被称为转向架 ( 图 7)。每节车厢下面有两个，  因为在车厢下面，我们不容易看到它的“庐  山真面目”。转向架就相当于“复兴号”的  “腿脚”，在火车身子和火车轮子之间搭起  一座和平友谊的桥梁保证“复兴号”的平稳  运行，悬挂就相当于“腿脚”上的关节保证  腿脚活动利索、安全舒服。它最核心的作用  就俩字——减振。

图 7 转向架图解(动车转向架)

　　转向架的一系和二系悬挂是决定车辆稳 定性和平稳性的关键，对高速列车的悬挂参 数的优化可以改善列车的动力学性能。抗蛇 行减震器和二系横向减震器是影响临界速度 的主要参数，适当增大可以提高临界速度。 为了过滤轮轨相互作用产生的高频冲击载 荷，一系悬挂中采用橡胶弹簧和阻尼器，二 系悬挂中采用了空气弹簧和各类阻尼器，通 过弹簧来隔离高频振动，通过阻尼器来吸收 振动能量。

　　三、长途跋涉的可能

　　高速列车日复一日、年复一年的长时间 奔跑，我们不禁有一个疑问：列车天天这样 跑会不会坏掉？我们需要怎样做才能保证列 车活得更长？这其实就是一个疲劳可靠性的 问题。在高铁优美流线型外壳下，是由成千 上万零件组成的一个有机结构体，结构体中 有很大一部分是高铁的力学承载部件。上面 的车体是由外壳和铝合金骨架组成，保障车 体可以承受外部的气动力和车内座位、空调、 卫生间、车窗等设备以及乘客的重量载荷。 前面说过，每一个车体下有两个转向架用于 连接车体和车轮，车体和转向架之间通过空 气弹簧连接，可以有效减少由于轮轨作用产 生的振动和噪声传到车内。高速列车力学承 载部件受到的主要载荷来源有三个方面：结 构本身及设备重量的惯性载荷、列车高速运 行时的气动载荷、以及轮轨相互作用产生的 激扰载荷 ( 图 8)。

图 8 列车运行时的主要载荷来源

　　高速列车在行驶过程中， 一些承载构件， 比如高铁的轮轴、转向架等，需要承受周期 性或变化的载荷作用。时间久了，就可能发 生破坏 ( 图 9)。因此，需要对这些承载构件 进行可靠性研究。由于实际构件比较大，比 如车轴， 有 2 m 多长， 直径约 900mm。直 接采用车轴进行实验和研究比较费时间，而 且费用也很高。因此，通常需要借助一些小 尺度的样品(比如直径几毫米或十几毫米)  的实验结果，再结合台架实验来研究实际构 件的可靠性。

图 9 德国高铁车轴断裂照片 (Zerbst et al.,2013)

　　在对高铁承载部件进行可靠性分析和优 化时，不仅需要对其局部结构进行力学响应

　　分析，也需要从整体层面进行考虑。例如， 高铁转向架结构作为连接车体和车轮的关键 承载部件，其载荷分布十分复杂。为从系统 层面研究以上三种主要载荷对转向架可靠性 的影响，可以建立包含车体、转向架、轮对 以及相关连接件的整车有限元模型，将试验 测量或者气动计算等得到的载荷数据施加于 模型之上，并展开计算分析，再将整体计算 得到的边界载荷用于转向架的局部结构分析 ( 图 10)。通过数值模拟，我们可以得到不同 的载荷分量对结构可靠性的影响，从而指导 转向架结构的改进。研究结果表明，由于车 重引起的惯性载荷是结构受力的主要来源， 但气动载荷以及轮轨激扰引起的循环载荷是 结构疲劳载荷的主要构成部分。

图 10 某型列车转向架结构载荷分布图

　　那么，是什么样的能量供给模式，为高 速列车的高速、长途跋涉提供了可能？高速 列车采用电力牵引，安装于列车顶部的受电 弓与架设于铁轨上方的接触网接触，将电能 传导到车轴驱动电机，为列车提供动力能源， 这一过程称为受流 ( 图 11)。持续稳定的受流 是列车长时间可靠运行的保障，京沪高铁通 车初期，三天内 4 起事故有 3 起是弓网故障 导致。

图 11 高速列车弓网

　　受电弓是一个铰接式机械构件，靠自身 结构保持与接触线的接触，在运行中的振动 易受其他因素影响，接触网作为大跨度柔索 系统，属于低频柔性小阻尼结构，对风载荷 敏感，易在受电弓上方产生快速纵向波动和 横向摆动、碰撞冲击受电弓。当列车高速运 行时，产生的强气流加上环境风，与弓网系 统相互剧烈作用，甚至产生显著的风致振动 效应，尤其在列车交会、隧道通过、强横风 等工况下，振动效应更加明显。随着列车速 度的提高，弓网之间会产生较高频率、较大 幅度的振动和异常碰撞冲击等，导致焊缝开 裂、疲劳裂纹产生，弓网离线引起电弧，烧蚀接触表面，使列车受流质量变差，影响列 车的牵引供电性能，已成为制约我国高速铁 路发展的“瓶颈”之一。因而，在考虑接触 网不平顺和弹性波传播，车体姿态改变，轨 道不平顺等因素对弓网系统振动影响的基础 上，开展弓网系统流固耦合分析，研究气动 荷载的时域和频域特性、结构振动特性、流 场模态与结构模态、流场频率与结构振动 / 固有频率之间的耦合关系及演化规律等，揭 示弓网涡激振动机理，为外形优化、主动控 制和弓网结构参数优化等提供数据和技术支 撑，从根源上提高受流质量，确保列车可靠 平稳受流，减少维修费用。

　　所“十三五”重点培育方向“高速列车  综合性能设计技术及服役可靠性研究”项目  研究团队，前期主要针对“和谐号”和“复  兴号”开展气动定型设计，参与的“京沪高  速铁路”项目2015年获国家科技进步特等奖， 主持的“高速列车气动优化设计及评估技术” 项目 2016 年获力学学会科技进步一等奖。  近年来，在气动方面，完成了京雄、国际互  联互通(时速 400 公里)和京沪双层等高速  列车气动设计和动模型实验技术。在高速列  车服役可靠性方面，以高速列车荷载分量贡  献为出发点，基于系统力学原理，在国际上  率先开展高速列车长时间服役系统可靠性评  估方法和软件分析平台研究；发展了从材料  疲劳到结构件疲劳性能的预测方法，成功应  用于我国多种高铁车轴的疲劳寿命预测；建  立了高速受电弓归算参数数据库，为在研高  速受电弓性能评估和结构优化提供了设计参  数；2018 年获力学学会自然科技二等奖。在平台研制方面，完成了实验速度 600km/h 动模型改造、横风装置、受电弓 6 自由度振 动等平台的方案设计，正在加工制造，必将 为高速列车和高速磁浮列车研制、高速弓网 关系研究提供了必备的实验手段。力学所已从高速列车空气动力学研究拓展到车辆动力 学、冲击动力学、疲劳寿命可靠性等方面， 成为了我国轨道交通关键力学问题研究不可 或缺的一支研究队伍。