基于最优拉丁超立方设计的高速列车流线型头型减阻优化研究
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B-Spline 曲线 C1为纵向对称线、C2为水平最大轮廓
线 、 C3 为 车 底 最 大 轮 廓 线 、 C4 为 中 部 辅 助 控 制 线 、 C5 为鼻尖高度控制线。对于中部辅助控制线 C4，两端 端点的横向坐标保持不变；对于其他控制点，其横向
坐标的变化采用式 （1） 进行控制：
( ) ynew (i) = yold (i) ×
线性规律变化
x4
C4 横向坐标 变换系数
[-0.2，0.4]
C4 横向坐标发生变化，端点坐标固定 不变，其他点横向坐标由式（1）控制
x5
C5 垂向坐标 变换系数
[0.8，1.2]
C5垂向坐标乘以系数 x5
图 1 高速列车流线型头型三维参数化建模
的影响特性，在图 1 中提取 5 个头型设计变量，各头型
设计变量的变量名称、变量含义、取值范围及其所对
应的样条曲线变形方式见表 1。
表 1 高速列车流线型头型设计变量
变量 变量含义
取值范围
样条曲线变形方式
x1
C1 纵向中点 垂向坐标 增加值
C1 纵向中点垂向坐标增加值为 x1，两 [-400 mm] 和端点间的点，垂向坐标增加值按照
1 高速列车流线型头型三维参数化模型
高速列车流线型头型具有对称性，因此只对左半部流线 型头型进行三维参数化建模。高速列车流线型头型是非常复 杂的三维曲面，其可由若干个子曲面连续拼接而成，采用若 干个B-Spline曲面逼近高速列车流线型头型三维外形。根据 某型高速列车流线型头型三维外形，在三维流线型头型表面 建立 12 条 B-Spline 曲线，利用 B-Spline 曲线建立 7 个 B-Spline曲面，进而构建高速列车流线型头型三维参数化模 型（见图1）。
1+
x4 × (i - 1) × (k - i) (i - 1)2 + (k - i)2
，
（1）
式中：ynew (i)为控制点变形后的横向坐标值；yold (i)为控
制点原始横向坐标值；x4 为控制点横向坐标变换系数； k 为控制线上控制点的总数；i 为控制点编号，i =
1，⋯，k。
为研究流线型头型设计变量对高速列车气动阻力
基金项目：国家重点研发计划项目 （2016YFB1200504-F）；中国 铁路总公司科技研究开发计划项目 （2015J009-D）
作者简介：刘加利 （1985—），男，高级工程师。 E-mail：liujiali0612@
及微气压波、强风下的列车运行安全性等 ［1-3］，空气动 力学问题已经成为高速列车设计研发中需要解决的关 键问题之一。研究表明，当高速列车运行速度达到 300 km/h 时，高速列车气动阻力在总运行阻力中所占的 比重将达到 75% ［4］，气动阻力已成为高速列车阻力的 主要来源。阻力直接影响列车运行能耗，气动减阻设 计已成为高速列车气动设计研发的关键。姚拴宝等 ［5-6］ 详细分析了高速列车气动阻力的分布特性，发现当运 行速度达到 350 km/h 时，高速列车压差阻力在总气动 阻力中所占比重达到 75.3%，减小高速气动阻力应从降 低压差阻力入手，重点对流线型头型三维外形进行优
研究探讨
基于最优拉丁超立方设计的 高速列车流线型头型减阻优化研究
刘加利
（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111）
摘 要： 为研究流线型头型对高速列车气动阻力性能的影响特性，利用 B-Spline 曲面建立高速 列车流线型头型三维参数化模型，并提取 5 个头型设计变量。在此基础上，结合最优拉丁超立 方设计和计算流体力学方法，研究高速列车流线型头型控制型线对高速列车气动阻力的影响特 性，确定出关键控制型线。计算结果表明：随着流线型头型控制型线的变化，高速列车气动阻 力发生明显改变，变化范围为 3 183～3 509 N，相对变化量约为 10.2%。最优设计点头型下的气 动阻力较原始头型降低 3.5%。对高速列车气动阻力影响最为显著的控制型线为纵向对称线，其 次是车底最大轮廓线和水平最大轮廓线，而鼻尖高度控制线和中部辅助控制线对高速列车气动 阻力的影响相对较小。 关键词：高速列车；流线型头型；最优拉丁超立方设计；气动阻力；鼻尖高度
中图分类号：U270. 2
文献标识码：A
DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2020.02.081
文章编号：1001-683X （2020） 02-0081-06
0 引言
高速列车具有安全、可靠、舒适、准时等优势， 在很多国家获得广泛重视和快速发展。然而，随着运 行速度的不断提高，高速列车与周围空气间的相互作 用变得越来越强烈，并由此产生了大量空气动力学问 题，如气动阻力、气动升力、气动噪声、隧道压力波
线性规律变化
x2
C2 纵向中点 横向坐标 增加值
C2 纵向中点横向坐标增加值为 x2，两 [-100 mm， 端点横向坐标增加值为 0；对介于中点 200 mm] 和端点间的点，横向坐标增加值按照
线性规律变化
x3
C3 纵向中点 横向坐标 增加值
C3 纵向中点横向坐标增加值为 x3，两 [-200 mm， 端点横向坐标增加值为 0；对介于中点 200 mm] 和端点间的点，横向坐标增加值按照
CHINA RAILWAY 2020/02
- 81 -
研究探讨
基于最优拉丁超立方设计的高速列车流线型头型减阻优化研究 刘加利
化设计。张在中等 ［7］ 利用风洞试验方法研究了不同流 线型头型对高速列车气动性能的影响，指出流线型头 部越长、鼻形更加突出尖锐、头部流线型更加光滑有 利于降低高速列车气动阻力。这些研究工作主要采用 优选方法研究外形对高速列车气动阻力的影响，较多 依赖于工程经验或试验结果，无法较为全面给出高速 列车流线型头型变化对高速列车气动阻力的影响特性。 建立高速列车流线型头型三维参数化模型，提取 5 个流 线型头型设计变量，采用最优拉丁超立方设计方法在 设计空间中进行采样，然后通过计算流体力学方法计 算每个采样点下的高速列车气动阻力，进而系统研究 流线型头型设计变量的变化对高速列车气动阻力性能 的影响特性，为高速列车流线型头型减阻优化设计提 供参考。
线 、 C3 为 车 底 最 大 轮 廓 线 、 C4 为 中 部 辅 助 控 制 线 、 C5 为鼻尖高度控制线。对于中部辅助控制线 C4，两端 端点的横向坐标保持不变；对于其他控制点，其横向
坐标的变化采用式 （1） 进行控制：
( ) ynew (i) = yold (i) ×
线性规律变化
x4
C4 横向坐标 变换系数
[-0.2，0.4]
C4 横向坐标发生变化，端点坐标固定 不变，其他点横向坐标由式（1）控制
x5
C5 垂向坐标 变换系数
[0.8，1.2]
C5垂向坐标乘以系数 x5
图 1 高速列车流线型头型三维参数化建模
的影响特性，在图 1 中提取 5 个头型设计变量，各头型
设计变量的变量名称、变量含义、取值范围及其所对
应的样条曲线变形方式见表 1。
表 1 高速列车流线型头型设计变量
变量 变量含义
取值范围
样条曲线变形方式
x1
C1 纵向中点 垂向坐标 增加值
C1 纵向中点垂向坐标增加值为 x1，两 [-400 mm] 和端点间的点，垂向坐标增加值按照
1 高速列车流线型头型三维参数化模型
高速列车流线型头型具有对称性，因此只对左半部流线 型头型进行三维参数化建模。高速列车流线型头型是非常复 杂的三维曲面，其可由若干个子曲面连续拼接而成，采用若 干个B-Spline曲面逼近高速列车流线型头型三维外形。根据 某型高速列车流线型头型三维外形，在三维流线型头型表面 建立 12 条 B-Spline 曲线，利用 B-Spline 曲线建立 7 个 B-Spline曲面，进而构建高速列车流线型头型三维参数化模 型（见图1）。
1+
x4 × (i - 1) × (k - i) (i - 1)2 + (k - i)2
，
（1）
式中：ynew (i)为控制点变形后的横向坐标值；yold (i)为控
制点原始横向坐标值；x4 为控制点横向坐标变换系数； k 为控制线上控制点的总数；i 为控制点编号，i =
1，⋯，k。
为研究流线型头型设计变量对高速列车气动阻力
基金项目：国家重点研发计划项目 （2016YFB1200504-F）；中国 铁路总公司科技研究开发计划项目 （2015J009-D）
作者简介：刘加利 （1985—），男，高级工程师。 E-mail：liujiali0612@
及微气压波、强风下的列车运行安全性等 ［1-3］，空气动 力学问题已经成为高速列车设计研发中需要解决的关 键问题之一。研究表明，当高速列车运行速度达到 300 km/h 时，高速列车气动阻力在总运行阻力中所占的 比重将达到 75% ［4］，气动阻力已成为高速列车阻力的 主要来源。阻力直接影响列车运行能耗，气动减阻设 计已成为高速列车气动设计研发的关键。姚拴宝等 ［5-6］ 详细分析了高速列车气动阻力的分布特性，发现当运 行速度达到 350 km/h 时，高速列车压差阻力在总气动 阻力中所占比重达到 75.3%，减小高速气动阻力应从降 低压差阻力入手，重点对流线型头型三维外形进行优
研究探讨
基于最优拉丁超立方设计的 高速列车流线型头型减阻优化研究
刘加利
（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111）
摘 要： 为研究流线型头型对高速列车气动阻力性能的影响特性，利用 B-Spline 曲面建立高速 列车流线型头型三维参数化模型，并提取 5 个头型设计变量。在此基础上，结合最优拉丁超立 方设计和计算流体力学方法，研究高速列车流线型头型控制型线对高速列车气动阻力的影响特 性，确定出关键控制型线。计算结果表明：随着流线型头型控制型线的变化，高速列车气动阻 力发生明显改变，变化范围为 3 183～3 509 N，相对变化量约为 10.2%。最优设计点头型下的气 动阻力较原始头型降低 3.5%。对高速列车气动阻力影响最为显著的控制型线为纵向对称线，其 次是车底最大轮廓线和水平最大轮廓线，而鼻尖高度控制线和中部辅助控制线对高速列车气动 阻力的影响相对较小。 关键词：高速列车；流线型头型；最优拉丁超立方设计；气动阻力；鼻尖高度
中图分类号：U270. 2
文献标识码：A
DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2020.02.081
文章编号：1001-683X （2020） 02-0081-06
0 引言
高速列车具有安全、可靠、舒适、准时等优势， 在很多国家获得广泛重视和快速发展。然而，随着运 行速度的不断提高，高速列车与周围空气间的相互作 用变得越来越强烈，并由此产生了大量空气动力学问 题，如气动阻力、气动升力、气动噪声、隧道压力波
线性规律变化
x2
C2 纵向中点 横向坐标 增加值
C2 纵向中点横向坐标增加值为 x2，两 [-100 mm， 端点横向坐标增加值为 0；对介于中点 200 mm] 和端点间的点，横向坐标增加值按照
线性规律变化
x3
C3 纵向中点 横向坐标 增加值
C3 纵向中点横向坐标增加值为 x3，两 [-200 mm， 端点横向坐标增加值为 0；对介于中点 200 mm] 和端点间的点，横向坐标增加值按照
CHINA RAILWAY 2020/02
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研究探讨
基于最优拉丁超立方设计的高速列车流线型头型减阻优化研究 刘加利
化设计。张在中等 ［7］ 利用风洞试验方法研究了不同流 线型头型对高速列车气动性能的影响，指出流线型头 部越长、鼻形更加突出尖锐、头部流线型更加光滑有 利于降低高速列车气动阻力。这些研究工作主要采用 优选方法研究外形对高速列车气动阻力的影响，较多 依赖于工程经验或试验结果，无法较为全面给出高速 列车流线型头型变化对高速列车气动阻力的影响特性。 建立高速列车流线型头型三维参数化模型，提取 5 个流 线型头型设计变量，采用最优拉丁超立方设计方法在 设计空间中进行采样，然后通过计算流体力学方法计 算每个采样点下的高速列车气动阻力，进而系统研究 流线型头型设计变量的变化对高速列车气动阻力性能 的影响特性，为高速列车流线型头型减阻优化设计提 供参考。