1、2009年一一.国家重大需求分析国家重大需求分析及拟解决的关键科学问题及拟解决的关键科学问题n 4.18 4.18铁路大提速铁路大提速250km/h250km/h高速铁路高速铁路n 13亿人口和亿人口和960万平方公里国土的需求万平方公里国土的需求n 能源、环保、和谐、可持续发展的要求能源、环保、和谐、可持续发展的要求 高速列车国家中长期科学和技术发展规划纲要国家中长期科学和技术发展规划纲要 优先主题优先主题 高速轨道交通高速轨道交通中国中国高速铁路的大国、高速技术的强国高速铁路的大国、高速技术的强国中国中国5年年世界世界40年年（2004年1月20日通过）“速度”是交通的灵魂 飞机铁路城轨公
2、路0100200300400500600700 800 900真空管道磁悬浮磁悬浮水运速度/km/h轨道交通发展趋势p客运高速化p货运快捷、重载p城际交通公交化p高速磁悬浮p城市轨道交通200km/h动车组摆式列车1997年4月1日中华之星321.5km/h2002年11月万吨列车高温超导低速常导高速常导北京、上海、广州深圳、南京、武汉成都、杭州、哈尔滨“十一五规划”提速、高速、城轨 安全问题 脱轨 钢轨波浪型磨耗、压溃和接触疲劳裂纹 车轴冷切断裂（每年几十次）结构疲劳 火灾 1998 年德国高速列车脱轨101人死亡，88人重伤。2002年美国快速列车发生脱轨，死伤160余人。2003年日本特
3、快列车脱轨死伤：约60人。脱轨事故频繁轴箱处断裂：翻车!轴箱断轴开裂导致铁道部对200km/h以上等级机车车辆全部采用进口。严重影响行车安全411120064052005341120043352003371320025611200160152000572119995129199846181997险性事故险性事故重大事故重大事故年度年度合计合计 139次次 455次次51015200.00.20.40.60.81.0减载率三角坑波长L /mm1012141618200.00.20.40.60.81.0减载率三角坑幅值A /mm需要从源头上开展创新研究，解决基本科学问题需要从源头上开展创新研究，解
4、决基本科学问题 某动车组轮重减载率超过限值某动车组轮重减载率超过限值提出线路平顺性的要求提出线路平顺性的要求保证安全性保证安全性无法回避的现实：无法回避的现实：世界高速铁路历经世界高速铁路历经4040年发展年发展性能性能失效失效人为人为环境灾害环境灾害不平稳不稳定疲劳摩擦磨损接触疲劳失效失效脱轨脱轨相对运动速度的提高振动的加剧线路接触网气流大系统的耦合振动大系统的耦合振动流固耦合振动（气流：阻力、颠覆列车）流固耦合振动（气流：阻力、颠覆列车）结构弹塑性振动结构弹塑性振动复杂非线性系统稳定性复杂非线性系统稳定性高速脱轨（跳轨）高速脱轨（跳轨）多刚体、弹性和线性、静态和稳态多刚体、弹性和线性、静态
5、和稳态车线耦合动力学模型车线耦合动力学模型翟孙模型翟孙模型柔性体柔性体刚性体刚性体连续体连续体离散体离散体堆积体堆积体弹性体弹性体流体流体高速铁路系统高速铁路系统高速列车耦合大系统动力学高速列车耦合大系统动力学 1.1.高速轮轨高速轮轨系统的动态系统的动态行为与性能行为与性能演变规律演变规律2.2.复杂运动复杂运动和多场作用下和多场作用下结构复合失效结构复合失效机制与相互演机制与相互演化规律化规律3.3.高速脱轨机理及其高速脱轨机理及其边界特性的影响规律边界特性的影响规律高速列车安全服役高速列车高速列车耦合大系统耦合大系统动力学动力学理论理论科学问题科学问题1.高速轮轨系统的动态行为与性能高速
6、轮轨系统的动态行为与性能演变规律演变规律复杂复杂系统系统建模建模系统系统动态动态行为行为服役服役过程过程模拟模拟系统系统性能性能演变演变二二.主要研究内容主要研究内容和预期目标和预期目标科学问题科学问题2.复杂运动和多场作用下结构复合复杂运动和多场作用下结构复合失效机制与相互演化规律失效机制与相互演化规律力力热热磁磁电电磨损磨损疲劳疲劳烧蚀烧蚀腐蚀腐蚀二二.主要研究内容主要研究内容和预期目标和预期目标科学问题科学问题2.复杂运动和多场作用下结构复合复杂运动和多场作用下结构复合失效机制与相互演化规律失效机制与相互演化规律损伤损伤失效失效机制机制不同失效不同失效共存竞争共存竞争机制机制 复杂复杂运
7、动运动表征表征材料材料设计设计方法方法 二二.主要研究内容主要研究内容和预期目标和预期目标科学问题科学问题3.高速脱轨机理及其边界特性的影高速脱轨机理及其边界特性的影响规律响规律动态动态脱轨脱轨机理机理服役服役安全安全域域脱轨脱轨充要充要条件条件二二.主要研究内容主要研究内容和预期目标和预期目标边界边界特征特征表征表征线路桥梁风地震建立高速列车耦合大系统动力学理论掌握高速列车的动态行为和高速脱轨机理揭示不同运动模式和多场耦合作用的失效机制稳定一支高水平、高素质的铁路基础科学研究队伍二二.主要研究内容和主要研究内容和预期目标预期目标 保证保证我国高速铁路的快速发展和安全服役我国高速铁路的快速发展
8、和安全服役三三.总体研究方案总体研究方案和创新点和创新点系统建模服役模拟系统行为多场作用失效机制脱轨机理边界条件安全服役载荷载荷模拟模拟运动方式运动方式模拟模拟强外场和强外场和环境模拟环境模拟零部件试验零部件试验轮轮 轨轨弓弓 网网轮轮 轴轴构构 件件高速滑动高速滑动紧配合微动紧配合微动高速滚动高速滚动结构振动结构振动动态动态行为行为改善改善服役服役工况工况在线检测在线检测脱轨脱轨预防预防失效链失效链影响度影响度服役模拟服役模拟脱轨脱轨机理机理试验试验技术技术仿真仿真技术技术载荷载荷谱谱高速轮轨系统高速轮轨系统实物试验实物试验运行运行边界边界模拟模拟电、磁场电、磁场温温 度度 场场环环 境境力
9、力 场场风载荷风载荷地震波地震波线路状态线路状态失效失效机制机制 研究方案框图研究方案框图 材料失效材料失效模型模型结构损伤结构损伤模型模型参数时变参数时变模型模型数学模型数学模型轮轨滚动弓网滑动轮轴微动结构振动课题课题6：高速脱轨机理及控制：高速脱轨机理及控制课课题题1：高速轮轨系统的动态行为与性能演变规律：高速轮轨系统的动态行为与性能演变规律课题课题2：高速轮轨滚动失效机制及优化匹配：高速轮轨滚动失效机制及优化匹配课题课题3：高速弓网载流滑动失效机制与材料设计：高速弓网载流滑动失效机制与材料设计课题课题4：多模式耦合复杂微动失效机制及防护：多模式耦合复杂微动失效机制及防护课 题课 题 5：
10、复 杂 载 荷 下 金 属 材 料 的 超 高 周：复 杂 载 荷 下 金 属 材 料 的 超 高 周(Gigacycle)疲劳损伤机理及寿命预测疲劳损伤机理及寿命预测三三.总体研究方案总体研究方案和创新点和创新点科学问题科学问题1科学问题科学问题3科学问题科学问题2三三.总体研究方案总体研究方案和创新点和创新点课题1课题2/3/4/5课题6服役载荷失效模型脱轨模型服役条件安全性课题课题1：高速轮轨系统的动态行为与：高速轮轨系统的动态行为与性能演变规律性能演变规律n 建立复杂多体多态的轮轨系统模型n 开展服役过程模拟性能演变过程性能演变过程广义失效过程（材料、结构、参数、性能）广义失效过程（材
11、料、结构、参数、性能）n 掌握动态行为与性能演变规律三三.总体研究方案总体研究方案和创新点和创新点课题课题2：高速轮轨滚动失效机制及：高速轮轨滚动失效机制及优化匹配优化匹配三三.总体研究方案总体研究方案和创新点和创新点n建立高速轮轨弹塑性滚动接触力学模型 n揭示高速轮轨失效机制n提出高速轮轨磨损和疲劳预防与减缓措施课题课题3：高速弓网载流滑动失效机制与：高速弓网载流滑动失效机制与材料设计材料设计三三.总体研究方案总体研究方案和创新点和创新点n揭示力、电、热和自然环境耦合下弓网的摩擦磨损规律 n掌握电弧形成和烧蚀机制 n提出弓网材料匹配关系和材料设计准则 课题课题4：多模式耦合复杂微动失效：多模
12、式耦合复杂微动失效机制及防护机制及防护三三.总体研究方案总体研究方案和创新点和创新点n揭示特殊微动模式的界面动力学特性及运行机理 n建立不同微动模式接触界面损伤机理及磨损与疲劳竞争关系 n提出抗微动失效的表面工程设计原理 课题课题5：复杂载荷下金属材料的超高周：复杂载荷下金属材料的超高周(Gigacycle)疲劳损伤机理及寿命预测疲劳损伤机理及寿命预测三三.总体研究方案总体研究方案和创新点和创新点n建立变幅载荷和冲击载荷作用下材料的超高周疲劳断裂行为和损伤模型 n提出材料的超高周疲劳可靠性设计和寿命预测方法 课题课题6：高速脱轨机理及控制：高速脱轨机理及控制三三.总体研究方案总体研究方案和创新
13、点和创新点轨道谱、线桥特性、风载荷、地震波轮轨关系弓网关系流固耦合关系轮轨滚动摩擦与接触疲劳机制电弧烧损与滑动摩擦机制复合微动疲劳机制三三.总体研究方案和总体研究方案和创新点创新点轨道交通国家实验室轨道交通国家实验室西南交通大学西南交通大学四、四、研究条件研究条件和工作基础和工作基础四、四、研究条件研究条件和工作基础和工作基础机车车辆整车模拟运行试验台和零部件失效试验机车车辆整车模拟运行试验台和零部件失效试验台台先进的材料微结构检测和分析设备先进的材料微结构检测和分析设备 四、四、研究条件研究条件和工作基础和工作基础目前世界上规模最大、功能最强、唯一可以进行目前世界上规模最大、功能最强、唯一可
14、以进行曲线模拟的机车车辆运行模拟试验台曲线模拟的机车车辆运行模拟试验台国家科技进步一等奖国家科技进步一等奖四、四、研究条件研究条件和工作基础和工作基础序号项目名称获奖级别获奖时间相关性1机车车辆整车滚动振动试验台国家科技进步一等奖1999课题22铁道机车车辆轨道耦合动力学理论体系、关键技术及工程应用国家科技进步一等奖2005课题1课题63微动摩擦学研究国家自然科学二等奖2006课题44牵引供电自动化系统成套技术及应用国家科技进步二等奖2005课题35铁道机车车辆走行部理论研究及应用国家科技进步二等奖2006课题5四、四、研究条件和研究条件和工作基础工作基础四、四、研究条件和研究条件和工作基础工作基础轮轨接触模型轮轨接触模型沈氏理论沈氏理论微动摩擦学微动摩擦学车线耦合模型车线耦合模型翟孙模型翟孙模型弓网混合模拟弓网混合模拟车辆动力学理论车辆动力学理论四、四、研究条件和研究条件和工作基础工作基础铁路领域的优势高校交叉
