(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210911708.7 (22)申请日 2022.07.27 (71)申请人 中国科学院力学研究所 地址 100080 北京市海淀区北四环西路15 号 (72)发明人 纪占玲　鞠胜军　郭迪龙　杨国伟　 成炯豪　闫畅　 (74)专利代理 机构 北京晟睿智杰知识产权代理 事务所 (特殊普通合伙) 11603 专利代理师 于淼 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 113/08(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 适用于高速列车的空气动力学与车辆动力 学的耦合方法 (57)摘要 本发明公开了一种适用于高速列车的空气 动力学与车辆动力学的耦合方法， 涉及空气动力 学与车辆动力学交叉技术领域， 包括： 分别建立 高速列车的空气动力学模型和车辆动力学模型； 利用双时间步时间推进 方法， 将二者之间的数据 进行交换， 提高了计算时间精度、 步长和稳定性。 在综合考虑高速列车与其周围流场的相互作用、 轨道不平 顺的影响和隧道效应的同时， 采用多区 域网格划分， 提高了网格划分的质量和 效率， 且 重叠网格 法不存在网格重构问题， 同时利用具有 六自由度的运动速度来反映高速列车的姿态改 变， 简化了耦 合步骤， 整个过程节约了网格划分、 计算列车周围网格节点位移、 网格重构、 计算迭 代等的时间开销， 使得耦合方法得以快速、 大规 模进行。 权利要求书2页 说明书12页 附图5页 CN 115238610 A 2022.10.25 CN 115238610 A 1.一种适用于高速列车的空气动力学与车辆动力学的耦合方法， 其特 征在于， 包括： 建立高速列车的空气动力学模型， 所述空气动力学模型包括组件流场和背景流场， 所 述组件流场为所述高速列车的周围流场， 所述背景流场为隧道内外流场； 建立高速列 车的车辆动力学模型， 所述车辆动力学模型的激扰包括轨道不平顺和气动 载荷； 利用双时间步 时间推进方法， 将所述空气动力学模型和所述车辆动力学模型之间的数 据进行交换； 其中， 所述利用 双时间步时间推进方法， 将所述空气动力学模型和所述车辆动力学模 型之间的数据进行交换包括： 将一个物理时间步分为预定精度或预定次数的子迭代； 在每次子迭代中计算所述空气动力学模型得到所述气动载荷， 并将所述气动载荷传递 至所述车辆动力学模型； 计算所述车辆动力学模型在所述气动载荷下具有六自由度的运动速度， 并将所述具有 六自由度的运动速度传递至所述空气动力学模型； 利用重叠网格法与自定义动网格法相结合的网格运动方法更新所述空气动力学模型， 进入下一个子迭代的计算； 当计算精度达到所述预定精度， 或迭代次数达到所述预定次数时， 进入下一物理时间 步。 2.根据权利要求1所述的适用于高速列车的空气动力学与车辆动力学的耦合方法， 其 特征在于， 所述建立高速列车 的空气动力学模型， 所述空气动力学模型包括组件流场和背 景流场， 所述组件流场为所述高速列车的周围流场， 所述背景流场为隧道内外流场包括： 建立所述高速列车的三维流体模型； 对所述高速列车的三维流体模型的组件流场和背景流场进行网格划分， 具体为： 采用混合网格划分方法对所述高速列车周围流场进行网格划分， 作为组件网格； 采用六面体网格划分方法对所述隧道内外流场进行网格划分， 作为背景网格； 组装所述组件 网格和所述背景网格， 定义所述组件 网格和所述背景网格的重叠网格界 面； 定义所述组件网格与所述背景网格的网格运动方法为重叠网格法与自定义动网格法 相结合的网格运动方法； 完成建立高速列车的空气动力学模型。 3.根据权利要求2所述的适用于高速列车的空气动力学与车辆动力学的耦合方法， 其 特征在于， 所述采用混合网格划分方法对所述高速列车 的周围流场进行网格划分， 作为组 件网格具体为： 采用棱柱网格划分方法对所述高速列车周围流场中靠近高速列车表面的部分进行网 格划分， 得到边界层 网格； 采用六面体网格划分方法对所述高速列车周围流场中靠近所述 隧道内外流场的部分进行网格划分， 得到边界层最外侧网格； 采用四面体网格划分方法对 所述高速列车周围流场中剩余的部分进行网格划分， 得到边界层外侧网格； 所述边界层网格、 所述边界层最外侧网格和所述边界层外侧网格共同组成所述组件 网 格；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115238610 A 2其中， 所述 边界层网格具有6～10层网格， 所述 边界层最外侧网格具有6～10层网格。 4.根据权利要求2所述的适用于高速列车的空气动力学与车辆动力学的耦合方法， 其 特征在于， 所述定义所述组件网格与所述背 景网格的网格运动方法为重叠网格法与自定义 动网格相结合的网格运动方法包括： 定义所述组件网格相对所述背景网格的网格运动方法为重 叠网格法； 通过所述具有六自由度的运动速度来自定义所述组件网格的网格运动方法。 5.根据权利要求2所述的适用于高速列车的空气动力学与车辆动力学的耦合方法， 其 特征在于， 所述三维流体模型还包括所述高速列车 的三维模型， 所述建立高速列车 的车辆 动力学模型， 所述车辆动力学模型的激扰包括轨道不平顺和气动载荷包括： 根据所述高速列车的三维模型、 车辆动力学参数及轨道动力学参数， 采用多层次子结 构建模方法建立所述高速列车的车辆动力学基础模型； 将轨道不平顺作为激励施加到轨道上， 将所述气动载荷作为力元施加到高速列车上， 完善所述高速列车的车辆动力学基础模型； 完成建立所述高速列车的车辆动力学模型。 6.根据权利要求1所述的适用于高速列车的空气动力学与车辆动力学的耦合方法， 其 特征在于， 所述在每次子迭代中计算所述空气动力学模型得到气动载荷， 并将所述气动载 荷传递至所述车辆动力学模型 具体为： 在每次子迭代中计算所述空气动力学模型得到气动载荷， 并将所述气动载荷保存至数 据文件； 所述车辆动力学模型读取 所述数据文件。 7.根据权利要求6所述的适用于高速列车的空气动力学与车辆动力学的耦合方法， 其 特征在于， 所述计算所述车辆动力学模型在所述气动载荷下具有六自由度的运动速度， 并 将所述具有六自由度的运动速度传递至所述空气动力学模型 具体为： 计算所述车辆动力学模型在所述气动载荷下具有六自由度的运动速度， 并将所述具有 六自由度的运动速度保存至数据文件； 所述空气动力学模型读取 所述数据文件。 8.根据权利要求6所述的适用于高速列车的空气动力学与车辆动力学的耦合方法， 其 特征在于， 所述气动载荷为置换变量， 所述车辆动力学模型通过覆盖所述置换变量的方式 读取所述数据文件。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115238610 A 3