大连交通大学2012届本科生毕业设计（论文）实习（调研）报告
实习（调研）调研
1.课题的来源及意义
本次设计课题题目为《动车组受电弓空气动力学分析》。
受电弓是电力机车从接触网获得电能的电气设备，安装在动车或拖车的车顶上，它和接触网之间的相互作用直接影响动车组的受流质量，是动车组的重要部件。
铁路运输正朝着高速行车方向发展，高速度已成为时代的标志。制约动车组运行速度提高的主要因素之一就是受电弓、接触网的受流特性。受电弓、接触网系统承担着为动车组输送能源的重要任务，动车组高速运行时如何保证能源输送的畅通，这正是高速受流需要解决的问题。在高速行车中，空气会以风动力的形式作用于列车和受电弓，空气动力是影响受电弓高速受流和安全运行的重要因素。受电弓良好的气动特性可以提高弓网系统跟随性、稳定性，减小弓网磨损，降低气动阻力，因此，研究受电弓的空气动力学对弓网系统的高速受流有重要的实际意义【1】。 1.受电弓的介绍
受电弓作为高速电力机车上的关键设备, 是弓网系统的重要组成部分, 一旦弓网接触不好, 将直接影响弓网间的受流特性, 进而影响列车的牵引供电性能; 更加严重的是, 如果受电弓结构在运行中破坏, 不仅会中断受流, 还常常引起接触网系统的破坏。所以, 铁路高速化中, 除了要研制高速机车车辆和线路结构,还必须研制能够在高速条件下保持良好受流, 并安全可靠运行的高速受电弓。
高速受电弓一般由弓头、框架、底架和传动机构四部分组成, 而框架又由摆杆、上臂杆、下臂杆、支撑杆和平衡杆等杆件组成, 各杆件通过铰接连接在一起, 如图1 左所示。底架支持框架, 通过绝缘子固定在车顶上,框架通过升弓装置支持弓头, 传动机构作用于下臂杆来实现升弓动作。气动升弓装置安装在底座上, 通过钢丝绳作用于位于下臂杆下部的扇形板, 从而实现升弓过程。下臂杆、上框架和弓头采用不锈钢( 1Cr18Ni9Ti) 焊接而成。碳滑板安装在弓头支架上, 弓头支架垂悬在4 个拉簧下方, 两个扭簧安装在高速受电弓与低速受电弓的差别之一是高速受电弓的归算质量大大减轻。低速受电弓的铁合金推杆在高速受电弓中由细长的铝合金拉杆代替;高速受电弓的上框架全部由原来的铁合金改为质量很轻的铝合金代替。从动力学的角度来看, 框架质量的减轻, 并没有改变框架的运动特性【2】。 2.空气动力学的发展及研究方法
列车空气动力学研究可追溯到上世纪30年代，当时英国对运行的列车在横风作用下所承受的力和力矩，采用缩比1/25列车模型进行了风洞模拟试验研究。20世纪50年代后期，日本、英国围绕高速列车减阻以及高速列车与运行环境相互影响的问题开始系统研究列车空气动力学，随后德国、法国于70年代也相继开展试验研究工作。中国
1 弓头和上框架间。
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对列车空气动力学的研究工作是从20世纪60年代开始的，针对铁路货车翻车和脱轨问题，研究了列车的横风效应；80年代末期，围绕列车提速问题，对时速为160km/h的“东风11型”（内燃）、“韶山8型”（电力）准高速机车外形优化设计进行了试验研究；20世纪90年代初期，中国发展高速铁路的计划正式启动，列车空气动力学的研究进入一个新的阶段[3]，尽管中国的研究工作起步较晚，但进展很快。1998年，中国自行设计、速度为200km/h的首列动力集中型客运电动车组车正式投入营运，相继有200km/h动力分散型、270km/h动力集中型（中华之星号）等多种类型的国产高速、准高速电动和内燃动车组在线路上行驶，均具有良好的空气动力性能。
列车空气动力学研究的目的主要是减小气动阻力，改善操纵稳定性，提高安全舒适性及减小其对环境的影响。列车空气动力学的研究内容可以归纳如下几个方面。 （1）研究作用在列车上的空气动力和力矩，及其对列车性能的影响。 （2）研究列车运行时，自然风对列车性能的影响及列车风对人和建（构）筑 物的影响。 （3）研究列车通过隧道和列车会车时的压力波特性。
（4）研究列车气动噪声和气候条件及其对车厢内人员舒适性的影响。
列车空气动力学的研究方法主要有模型模拟试验（风洞、动模型）、数值模拟计算、实车路试三种。
缩尺模型模拟试验是研究列车空气动力特性的一种主要手段。就列车而言，模拟试验主要采用风洞和动模型试验装置两种试验设备，列车的空气动力和力矩、表面压力分布规律、尾部绕流特性等，以采用风洞试验为宜；对于需模拟有相对运动情况的列车交会和过隧道等方面的空气动力问题，则以采用动模型试验装置为佳，二者相辅相成，互相不能取代。由于列车为长大物体，法国、日本以及德国与荷兰联合建造了试验段加长的专门用于列车模拟试验的风洞，日本还建有专用的低噪声风洞用于噪声试验研究，但多数国家仍利用已有的航空风洞经适当改造后进行列车模拟试验；动模型试验装置有多种形式，目前仅中国、英国建有大型动模型试验装置。
数值模拟计算是近年来随着计算机技术和计算流体力学发展而逐渐开展起来的一种研究方法，现已有多种用于列车空气动力学数值模拟计算的商用软件，诸如CFX、STAR－CD、Fluent等，以及各研究单位自行开发的专用软件，在计算机容量能满足需要的情况下，计算结果基本上能满足工程计算精度的要求；一般情况下，轮轨系统列车由于转向架、受电弓部位需生成大量计算网格（磁悬浮列车无此问题），难以办到，导致气动阻力、升力的计算结果有较大偏差外，其它计算仍能有好的结果。因此，数值模拟计算已从最初用于列车初步设计时的外形选型，发展成为研究列车空气动力性能的一种重要手段。
实车路试是对列车综合性能的考核，它可以获得最接近于实际的性能参数，并用于校核各种模拟试验和数值模拟计算的结果，但需要候列车产品竣工出厂以后才能进行，故
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一般都用于新产品的验收，很少用于研究性试验，其试验结果对进一步完善列车的空气动力性能有重要作用。 3.本课题的研究方法
本课题采用的是上面介绍的数值模拟计算法，用的是HyperMesh和Fluent软件。 HyperMesh是一个高性能的有限元前后处理器，支持直接输入已有的三维CAD几何模型(UG,Pro/E,CATIA等)已有的有限元模型，并且导入的效率和模型质量都很高，可以大大减少很多重复性的工作。在处理几何模型和有限元网格的效率和质量方面，HyperMesh具有很好的速度，适应性和可定制性，并且模型规模没有软件限制。其他很多有限元前处理软件对于一些复杂的，大规模的模型在读取数据时候，需要很长时间，而且很多情况下并不能够成功导入模型，这样后续的CAE分析工作就无法进行；而如果采用Hypermesh，其强大的几何处理能力使得Hypermesh可以很快的读取那些结构非常复杂，规模非常大的模型数据，从而大大提高了CAE分析工程师的工作效率，也使得很多应用其他前后处理软件很难或者不能解决的问题变得迎刃而解。
FLUENT用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。FLUENT软件具有强大的网格支持能力，支持界面不连续的网格、混合网格、动/变形网格以及滑动网格等。
本课题先根据受电弓的几何数据作出受电弓的几何模型，然后将仿真几何模型导入HyperMesh中，进行必要的几何清理工作后，指定单元密度，划分网格，生成有限元模型，最后将有限元模型导入FLUENT软件中，用FLUENT软件对受电弓有限元网格模型进行风场模拟仿真，分析受电弓的各种空气动力学数据，进而得出受电弓的空气动力学。 4．进度安排
1.查阅相关文献，完成调研报告及外文翻译（第1~2周） 2.学习HyperMesh、FLUENT软件（第3~4周） 3.应用HyperMesh软件建立受电弓模型（第5~6周） 4.用HyperMesh软件添加边界条件、速度等（第7周）
5.应用FLUENT软件，完成受电弓的空气动力学仿真及分析（第8~9周） 6.根据仿真结果，进行后处理（第10~11周） 7.完成论文撰写及PPT制作，准备答辩（第12~13周） 5.可行性分析及已具备的实验条件
HyperMesh和FLUENT软件已经普遍应用于空气空力学的研究中，所以是可行的。软件已根据win7版本配置安装好了。 5.参考文献
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【1】张弘 于正平吴鸿彪，受电弓空气动力学模型及风洞试验研究，中国铁道科学，1995年3月。
【2】马果垒 张卫华 梅桂明，高速受电弓整体结构特性分析，机械强度，2010,32（1）：158-164.【3】J.Pomboa, J.Ambrósioa, M.Pereiraa, F.Rauterb, A.Collinac and A.Facchinetti，Influence of the aerodynamic forces on the pantograph–catenary system for high-speed trains，Vehicle System Dynamics Vol.47, No.11, November 2009, 1327–1347。
