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随着运行速度的不断提高,列车空气动力学问题诸如：空气阻力、列车交会压力波、横风运行安全性、隧道微气压波等也日益突出。从气动外形设计的观点分析,上述空气动力学问题都与列车外形有着密切的关系。列车外形设计引起了众多业内人士和学者的重视,然而目前的研究都是在单一气动学科或线路工况内进行,没有考虑随列车速度提高而日益增加的学科间耦合效应,也就无法获得全局最优解。在国家科技支撑计划“高速列车空气动力学优化设计及评估技术”(2009BAG12A07)和国家重点基础研究发展973计划“时速500公里条件下的高速列车基础力学问题研究”(2011CB711102)的支持下,本课题将计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)和多学科设计优化(Multidisciplinary Design Optimization,MDO)理论相结合,对高速列车外形MDO关键技术——“试验设计+近似模型”的近似计算策略和GA-PSO组合算法进行研究,并初步探讨了其在高速列车外形设计中应用,主要内容如下：1)研究了“试验设计+近似模型”的MDO计算策略。介绍了试验设计基本概念,阐述了均匀试验设计理论和方法,并编制了相应的均匀设计程序；分析了MDO中常用近似模型理论和构建方法,并通过平方和函数与Schaffer F6函数对其预测精度进行比较,结果表明Kriging和SVM近似模型有良好的非线性适应性。2)在深入分析遗传算法(Genetic Algorithm,GA)和粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)理论基础上,把PSO算法粒子速度更新与GA算法种群选择、交叉策略有机结合在一起,利用GA搜索能力强的优势进行全局搜索,而PSO执行局部搜索,从而最大限度地发挥两算法的优点。Zakharov和Rstring函数测试结果表明,单一的GA和PSO算法容易陷入局部最优,而GA-PSO组合算法更容易获得全局最优解,稳定性也显著提高。3)采用“试验设计+近似模型”计算策略,对列车和隧道过度缓冲段外形进行耦合设计,并通过GA-PSO组合优化策略获得了列车一缓冲段的最优外形方案。与当前结构相比,耦合设计方案能使隧道出口微气压波幅值降低15.45%。4)提出了多线路工况下列车头形近似设计方法,并通过明线和过隧道线路工况下的实例验证了该方法的有效性。与CRH2原型车气动性能的对比分析表明,本文系列设计方案(5种头形)的整体气动性能均有不同程度的改善,其中隧道压力梯度降低最高达到40.2%,气动阻力系数降低也达到21.61%。5)对受电弓总体设计进行分析,给出了受电弓性能分析及评估模型；采用自下向上的建模技术建立受电弓MDO模型,并在学科连续性约束条件下获得了综合性能良好的设计方案。与原始方形弓头受电弓气动性能的对比分析表明,本文弓头外形系列设计方案的整体气动性能有显著地改善,其中气动阻力降低20%以上,与气动噪声相关的压力梯度也降低11.23%以上。