基于神经网络代理模型的列车侧风稳定性优化 | CJME论文推荐

机械工程学报 2022-06-29

提示：点击上方"机械工程学报"↑关注我吧

引用论文

Zhang, L., Li, T., Zhang, J. et al. Optimization on the Crosswind Stability of Trains Using Neural Network Surrogate Model. Chin. J. Mech. Eng. 34, 86 (2021). https://doi.org/10.1186/s10033-021-00604-0.

研究背景及目的

横风会使得高速列车的运行安全性恶化，进而影响列车行车安全。以往学者对于列车安全性的研究主要包括两方面：一是结合列车空气动力学和车辆系统动力学来研究气动载荷对车辆动力学的影响；二是结合车辆系统动力学和优化方法来调整列车悬挂系统参数。但是，鲜少有学者将列车空气动力学、车辆系统动力学和优化方法结合起来研究横风作用下列车运行安全性。另外，以往学者往往只针对某两个或三个安全性指标进行悬挂参数优化。而现行标准下，安全性指标一般有五个。如果只针对部分安全性指标进行优化有可能出现其它安全性指标因悬挂系统参数调整而发生恶化的情况。因此在优化时，有必要全面考虑五个安全性指标。针对此问题，本文结合列车空气动力学、车辆系统动力学和优化方法，研究了横风作用下列车运行安全性，并优化了车辆的悬挂系统参数，使其五个安全性指标都满足运行安全性要求。

研究方法

首先，建立列车空气动力学模型和车辆系统动力学模型。将流体仿真得到的气动载荷导入到车辆动力学模型中并分析在横风作用下车辆运行时的动力学响应。其次，构造样本点和构建神经网络代理模型。设计变量为列车头车转向架相关的悬挂系统参数，优化目标为该车横风下运行的五个安全性指标，分别为脱轨系数、轮轨垂向力、轮轴横向力、倾覆系数和轮重减载率。最后，再利用高维多目标优化算法在代理模型上进行加点寻优，获得最终的优化方案。

结果

当遭遇横风时，列车头车受气动力的影响非常大。头车的侧力、侧滚力矩、点头力矩和摇头力矩均比中间车和尾车的大得多。因此，相较于中间车和尾车，头车的运行安全性值得研究。原始模型头车横风下的五个安全性指标（脱轨系数、轮轨垂向力、轮重减载率、轮轴横向力和倾覆系数）分别为1.31、133.3kN、0.643、85.67kN和0.425。其中，脱轨系数和轮轴横向力已经超标了。通过建立神经网络代理模型，调整了列车的悬挂系统参数，并同时优化了五个安全性指标。优化后的模型横风下的五个安全性指标的数值分别为0.268、100.44kN、0.474、34.36kN和0.421。所有安全性指标均未超标，且除倾覆系数以外，其它安全性指标均得到较大幅度的改善。

结论

结合高速列车空气动力学、车辆系统动力学和高维多目标优化方法，能过更加细致的研究横风作用下列车的运行安全性，并且能够考虑更多安全性指标，使优化结果更全面，让列车运行更安全。

前景与应用

结合列车空气动力学、车辆系统动力学和代理模型方法，更加细致的优化了列车在横风下的运行安全性。该研究考虑了更多的安全性指标，使得优化结果更加全面，具有较强的现实意义。此外，该方法未来还可运用到列车运行平稳性和舒适度的相关研究中，具有广阔应用前景。相关的研究成果在若干纵向和横向课题中均有涉及。涉及到的课题如下。

纵向：国家重点研发计划（2016YFB1200403-C-01）

国家重点研发计划（2020YFA0710902）

横向：时速400公里新头型动车组整车空气动力学仿真分析与优化

高速列车风阻制动装置性能计算

相关文章/图书推荐

《高速列车耦合大系统动力学理论与实践》张卫华著

《高速列车气动外形优化设计》李明著

团队带头人介绍

张继业，博士，教授，博士生导师。作为主要研究人员，主持和参加多项国家自然科学基金项目、科技部、铁道部项目和企业委托项目的研究。2004年入选教育部首届新世纪人才支持计划。在国内外学术刊物及学术会议上发表论文近140多篇，累计被SCI论文引用400多次, 合著专著一部。长期从事复杂系统稳定性、自动控制理论、神经网络、复杂系统的动力学行为分析、列车流固耦合动力学以及车辆混合动力系统等方面的研究

论文主创介绍

张乐，男，1993年6月生，江西上饶人。2016年获得西南交通大学车辆工程学士学位，同年进入西南交大牵引动力国家重点实验室攻读车辆工程专业。2018年获得硕博连读资格，目前为该实验室载运工具运用工程专业的在读博士生。研究方向为列车空气动力学与多目标优化。

李田，男，湖南醴陵人，博士学位，副研究员，四川省海外高层次人才。2002.9-2006.7 西南交通大学数学系, 获学士学位。2006. 9-2008. 6 西南交通大学牵引动力国家重点实验室载运工具运用工程专业硕士研究生。2008. 9-2012.6 西南交通大学牵引动力国家重点实验室载运工具运用工程专业博士研究生。2013.5-至今留校工作。2016年12月-2017年12月伯明翰大学访问学者。2011年10月获西南交通大学学生最高荣誉奖“竢实扬华奖章”，2014年获中国铁道学会铁道科技一等奖（排名第9）。作为第2和第3起草人分别参与制定铁路行业空气动力学标准第1部分和第3部分。目前已在国内外刊物发表论文百余篇（SCI/EI收录70余篇），主持国家自然科学基金青年项目1项，四川省应用基础重点项目1项和多项企业委托课题。

朴荣焕，男，1996年12月出生，内蒙古扎兰屯人，2018年获得东北农业大学车辆工程学士学位，同年进入西南交通大学牵引动力国家重点实验室攻读载运工具运用工程，目前为该实验室载运工具运用工程专业在读硕士研究生。研究方向为列车空气动力学与耦合动力学。

团队研究方向

高速列车空气动力学与气动优化，真空管道磁悬浮列车多物理耦合研究等。

团队发表高影响力论文

[1] Zhang L, Li T, Zhang J. Research on aerodynamic shape optimization of trains with different dimensional design variables. International Journal of Rail Transportation.doi:10.1080/23248378.2020.1817803

[2] Li T, Qin D, Zhang W, et al. Study on the aerodynamic noise characteristics of high-speed pantographs with different strip spacings. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2020,202: 10419.

[3] Li T, Hassan H, Zhang J. Evaluation of SA-DESand SST-DES models for the flow around a train subjected to crosswinds using OpenFOAM, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Jounral of Rail and Rapid Transit, 2020, 234(10): 1346-1357.

[4] Li T, Hassan H, Mohammad R, et al. The effect of numerical divergence schemes on the flow around trains, Fluid Dynamics Research, 2020, 52: 025509.

[5] Li T, Qin D, Zhang J. Effect of RAN Sturbulence model on aerodynamic behavior of trains in crosswind, Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2019, 32:85.

更多详细内容请点击文后阅读原文获取。

编辑：恽海艳校对：向映姣

寻觅合作伙伴

有一种合作叫做真诚，有一种发展可以无限，有一种伙伴可以互利共赢，愿我们合作起来流连忘返，发展起来前景可观。关于论文推荐、团队介绍、图书出版、学术直播、招聘信息、会议推广等，请与我们联系。

感谢关注我们！《机械工程学报》编辑部将努力为您打造一个有态度、有深度、有温度的学术媒体！

推荐阅读

最新 | 机械工程领域SCI期刊一览(2020JCR)

CJME最新SCI影响因子1.936

基于信息熵的多尺度深度特征融合智能故障诊断方法 | CJME论文推荐

具有俯仰可调整单元的闭链多足机器人设计 | CJME论文推荐

基于深度时空卷积神经网络的轴承剩余使用寿命估计 | CJME论文推荐

基于双目视觉的焊接熔池表面三维重建 | CJME论文推荐