随着我国高速和重载运输的快速发展,轮轨型面匹配合理问题越来越重要。车轮型面优化设计是改善轮轨几何匹配的重要手段。本文在车轮型面多目标优化的数学模型构建、设计变量选择、多目标优化问题的求解算法和工程应用等方面开展研究。本文的主要研究工作如下:应用现代多目标优化理论,研究轨道车辆的车轮型面优化设计数学模型的目标函数、设计变量和约束条件。在深入分析国内外典型车轮型面几何特性的基础上,提出以圆弧形车轮型面的数个圆弧圆心坐标和半径为多目标优化设计的设计变量,新的设计变量具有求解规模小、精度高、物理意义清晰的优点,而且基于新的设计变量得到的车轮型面可以满足实际工程中对车轮型面的凸凹性和单调性要求。对全局非凸不可微优化算法响应面方法的收敛性、迭代子区域更新技术进行了深入的研究,提出采用基于高斯径向基函数的响应面的多目标优化方法求解车轮型面的多目标优化设计问题。与传统的车轮型面优化设计求解方法,如遗传算法、序列二次规划法相比,新的优化算法具有计算量小、收敛快等优点。以欧洲ERRI 200 km·h-1客车车轮型面优化设计为例,对基于多项式响应面车轮型面优化方法和高斯径向基函数响应面车轮型面优化方法进行了比较分析,优化结果表明:在车轮型面优化的应用中基于高斯径向基函数的响应面方法优于基于多项式的响应面方法。采用C++编制了基于高斯径向基函数响应面的多目标优化方法应用于车轮型面优化设计的软件模块。软件模块包含C++与多体动力学软件ADAMS/Rail的接口程序,该接口程序能在C++的环境中根据需要调用ADAMS/Rail进行动力学分析,并能从ADAMS/Rail的结果文件中提取所需要的数据反馈给优化软件程序。整个优化设计的循环过程均由计算机自动完成,不需人为干预。为了验证本文编制的多目标优化数值计算程序,以欧洲ERRI 200 km/h客车动力学模型为例,选用LMA车轮型面进行了多目标优化数值计算程序的验证研究。利用车辆系统动力学仿真软件ADAMS/Rail建立了CRH₂高速动车组的动力学模型,应用京津线的试验数据对CRH₂高速动车组动力学模型进行了验证。根据高速动车组的特点,选择轮轨磨耗指数、临界速度和横向平稳性作为高速动车组车轮型面优化的3个目标函数,建立了CRH₂动车组车轮型面多目标优化设计的数学模型。通过车轮型面优化后,车辆临界速度提高了22.6%,轮轨磨耗指数降低了7.1%。利用车辆系统动力学仿真软件ADAMS/Rail建立了HXD₂型电力机车的动力学模型,应用大秦线的试验数据对HXD₂型电力机车动力学模型进行了验证。根据重载电力机车的特点,选择轮轨磨耗指数、最大接触应力和轮轴横向力作为重载电力机车车轮型面优化的3个目标函数,建立了HXD₂电力机车车轮型面多目标优化设计的数学模型。通过车轮型面优化后,轮轨磨耗指数降低了15.1%;800 m半径圆曲线上外侧轮轨接触应力降低了28.7%,1000 m半径曲线轨道上则降低了31.4%;800 m半径曲线轨道上第一轮对轮轴力降低了22.6%,1 000 m半径曲线轨道上的则降低了18.6%。利用ABQUS有限元软件对HXD₂型电力机车车轮型面优化前后的轮轨应力的对比分析表明,优化后车轮型面的最大Mises应力降低了23.3%,最大接触应力降低了29.1%。车轮型面多目标优化设计是一个涉及轨道-车辆系统动力学、轮轨材料匹配、轮轨几何匹配的复杂的系统工程问题,是轨道交通行业重要的研究课题,需要应用计算科学的新理论、新方法,结合线路试验和实验室试验进行综合性的系统研究和实际线路验证。本文的工作是一个长期研究工作的开端,许多研究工作需要继续深入进行。