高速列车行车安全可靠性研究

简介
近些年来，高速铁路来在我国取得了跨越式发展，高速铁路线路总里程已经超过 2.6 万
公里，占世界总里程的百分之六十以上。高速列车商业运行时速超过 350km/h，最高速度更
是达到 486km/h，如此高的运行速度下，是什么样的结构使得列车安全运行，科学家又是如
何设计的，这其中包含丰富的机械和力学问题。另外，中国已经启动了时速 600 公里的高速
磁悬浮交通研发项目，甚至时速 4000 公里的真空管道磁浮列车概念也已提出并开展研究。
高速磁悬浮列车的结构又与轮轨列车又有何不同？
高速轮轨列车和磁悬浮的运行舒适性、安全可靠性是非常重要的性能指标，是列车研究
设计时重点关注的指标。例如，中国高铁运行时可以长时间竖起硬币而不倒，这说明车辆的
振动幅度控制地非常好；同时列车轮对在服役过程中，经历超长周次的循环载荷，仍能安全
服役，这说明其可靠性研究和损伤容限设计先进，这些都是机械设计的功劳。此实习项目主
要针对计划申请机械及自动化专业、车辆工程、航空航天等专业学员所设计。导师向学员讲
述高速轮轨列车、磁悬浮列车的基本结构和运行原理。学员跟随导师一起开展研究工作，利
用数值模拟手段，对高速列车响应以及轮轨系统多轴应力进行仿真。通过学习和交流，使学
员充分了解目前高速列车的结构和原理，理解动力学问题和疲劳可靠性问题的研究方法，初
步掌握将书本知识应用于实际科学问题研究的基本方法，积累参与项目研究经验实习结束
后，导师会根据学生表现出具推荐信。
 内容
本实习项目主要介绍高速列车运行过程中，车辆响应和轮轨结构可靠性研究，主要分以下几个部分：
（1）讲述高铁列车和磁悬浮列车的基本结构和原理，梳理高速列车当前研究中的重点
方向，以及动力学问题和轮轨结构可靠性的分析方法；对研究中用到的理论和工具进行简单
介绍，主要理论知识有结构动力学、数值积分、计算编程基本知识，主要工具包括 Matlab、
Simpack、Abaqus 等。
（2）专题一：轨道车辆动态响应仿真
介绍目前结构动力学领域微分方程数值积分的常用方法 Runge-Kutta 法；依据实际列车
结构，推导建立高速轨道列车模型的振动控制方程，组织学员完成基于 Runge-Kutta 法的车
辆动态响应仿真和临界速度计算分析。介绍车辆动力学常用软件 Simpack，采用 Simpack 软
件，模拟轮对、转向架和车辆的动态响应情况。
（3）专题二：轮轨系统多轴应力仿真
轮轨系统是轨道车辆安全可靠性的关键环节，利用计算固体力学方法对轮轨接触应力进
行仿真。首先介绍计算固体力学基本原理，包括虚功原理，有限单元思想和目前业内应用广
泛的两款计算软件，ANSYS 和 ABAQUS。然后采用 ABAQUS 有限元软件，模拟轮轨表面
接触应力。
师资背景
教师就职于知名研究所和大学，博士，助理研究员，中国力学学会会员，Vehicle System 
Dynamics、Acta Mechanica Sinica 等期刊审稿专家。发表 SCI 及 EI 论文 10 余篇，软件著作
权 8 项。主要研究方向为：高速列车动力学与结构可靠性。主持和参与多项国家 973、国家
十三五重点研发项目、大型企业委托开发项目，主要主持或参与相关项目有：时速 500 公里
高速列车关键力学问题研究、高速磁浮关键技术研究、高速列车长时间服役安全可靠性研究。

 招生对象及要求
大二以上优秀本科生及部分优秀高中生，计划申请机械工程、车辆工程、航空航天、固
体力学，流体力学等专业学员所设计，具备机械，车辆，力学，航空航天等专业基础学生。
为了让学生可以更好的完成科研项目，项目组会以笔试和面试的形式对学生进行筛选。
项目难度：★★☆，报名建议：具备一定力学基础和结构动力学等相关基础知识的同学。
预习资料：车辆动力学文献、SIMPACK 和 MATLAB 软件学习资料、轮轨关系文献、有
限单元法学习资料等。

行程安排
Step1：远程项目指导：项目开始前 2 周—1 个月组成学习讨论群，项目导师及助教随时为
同学们答疑解惑，介绍项目背景，发放预习资料（包括相关文献及需要掌握的软件技能等），
专业问题请教专业导师，行程安排请教贴身助教；
Step2：项目集中进行时：专业大咖导师面对面授课指导，研讨国际当下热点问题及领域发
展方向，引领同学们完成一个领域前沿定值科研项目，充分发挥每位同学的科研精神和探索
能力，爱上科研不是梦；
Step3：远程项目指导：项目结束后 2 周—1 个月，延展性问题随时请教导师，完成项目总
结，撰写详细的总结报告，梳理项目内容，思考后续发展方向。