[发明专利]一种高速列车车头表面微结构减阻设计与实现方法

说明书

本发明公开了一种高速列车车头蒙皮表面微结构减阻设计方法，车头蒙皮微结构主要由有机聚合物在车头表面形成半球形结构组成，在半球形结构底部集成压电功能材料；微结构自适应控制方法主要根据外界环境的变化通过外加电压使半球形微结构形式发生形变，改变车头蒙皮的为结构形式，减小车头在运行过程外界环境的影响和运行阻力，提高高速列车的能源利用效率和生命周期。

技术领域

本发明涉及智能蒙皮领域，特别涉及一种高速列车车头蒙皮表面微结构设计与减阻控制方法。

背景技术

高速列车车头微结构减阻技术是当前高速列车节能的一种重要发展趋势，在高速运动、复杂环境变化等情形下，如何减小车辆在运行过程的阻力，避免车头表面应力集中，保证车辆平稳前行，探索车头表面的微结构减阻技术将提高高速列车的能效水平。

动车组在整体减阻设计优化有很多方法，在保证高速列车可用空间不变的条件下，利用等离子发生激励装置对气流的主动控制。随着列车的运行速度的提高，列车运行阻力主要与列车的气动性能和重量密切相关，导致降低高速列车运行能耗主要集中于气动减阻技术和轻量化(姚拴宝，郭迪龙，杨国伟，高速列车气动阻力分布特性研究，铁道学报，2012)。提出一种超临界翼型减阻增升的微吹结构和方法，在微吹作用下，壁面阻力和压差阻力均会显著降低，减轻运行阻力。（一种用于超临界翼型减阻增升的微吹结构和方法，CN201710978175.3）。但是列车的减阻技术还是存在很大的优化空间，特别是高速列车车头表面的微结构设计与自适应调整方法方面将有待成为解决列车运行减阻技术发展的重要手段。

基于列车车头蒙皮表面微结构的减阻设计方法，主动适应复杂车头表面结构，提出高速列车车头蒙皮表面微结构主动减阻自适应控制方法，保证高速列车高速运行时，在高负荷状态下安全、高效率地行驶，减轻车头的运行阻力，避免车头应力集中，提高车头的运行安全性和能效水平。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的第一目的在于提供一种基于列车车头蒙皮表面微结构的减阻设计方法，在车头蒙皮表面设计与制备凸出的半球形柔性聚合物微结构（球形半径为100微米）阵列，改变风在车头表面的应变情况，降低列车运行过程受到的阻力，减小应力集中，避免车辆的局部变形过大，保证车辆的平稳运行，提高车辆运行的能效水平。

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的第二目的在于提供一种基于高速列车车头蒙皮表面微结构自适应减阻控制方法，在半球性柔性聚合物与车头之间集成无机压电薄膜，具有电制变形的功能，通过调控外加电压实现对压电功能薄膜产生微小位移的精确控制，主动改变风等因素对车头蒙皮的应力场分布，响应外界环境变化，减小车头运行过程的阻力。

一种高速列车车头蒙皮表面微结构设计与减阻自适应控制方法，包括车头蒙皮微结构设计与基于压电薄膜电致驱动的微结构自适应控制方法，其特征在于，车头蒙皮微结构设计主要由有机聚合物在车头表面形成半球形结构；微结构自适应控制方法主要根据外界环境的变化通过外加电压使半球形微结构形式发生形变，改变车头蒙皮的为微结构形式，减小车头在运行过程外界环境的影响和运行阻力，提高高速列车的能源利用效率和生命周期。

进一步地，所述车头表面微结构设计，其特征在于，半球形微结构阵列，采用有机聚合物制备成半球形结构，具有易变形等特点。

进一步地，所述车头蒙皮微结构设计，其特征在于，半球形微结构阵列下方集成了压电薄膜，具有电致驱动特性，根据外加环境变化能够主动调控微结构单元的变形，改变车头蒙皮的应力场分布。

进一步地，所述高速列车车头蒙皮微结构自适应控制方法，其特征在于，在微结构下面集成了压电阵列，根据外界环境变化，调整压电单元的输入电压使其发生微小运动，从而使半球形微结构单元发生形变，主动适应环境变化。

一种高速列车车头蒙皮微结构减阻实现方法，包括以下步骤：

（1）设计加工制备半球形的有机聚合物微结构，在微结构底部嵌入压电阵列；