铁路运输，是缓解交通压力的有效方式之一。随着列车运行速度的不断提升，气动效应对列车运行安全性产生的影响越来越突出。同时，与无风情况相比，横风作用会使高速列车的气动性能显著恶化，从而带来更大的安全隐患。因此，对横风气动性能进行全面分析并加以优化，是高速列车外形设计过程中必不可少的重要环节。目前，针对高速列车流线头型和局部构件的传统气动性能优化方法几乎没有进步空间，而利用微结构进行非光滑表面设计的新型技术手段正受到国内外学者的广泛关注。虽然表面微结构在高速列车气动减阻、降噪方面的应用已取得不少成果，但还缺乏对微结构表面流动控制机理的研究，且有必要深入剖析微结构表面对列车横向稳定性的影响规律。基于此，本文主要开展了以下工作：

（1）以在车顶加设矩形条带组的方式，对390级Pendolino列车简化模型的头车进行了局部非光滑表面设计；采用数值模拟方法获得了光滑表面列车模型和粗糙表面列车模型的表面压力分布规律，并与风洞试验结果进行对比，验证了所用方法的有效性；结合不同表面列车模型周围的流场结构，揭示了矩形沟槽表面对车体周围气体流动的控制机理；根据关键气动载荷的计算结果，表明此种非光滑表面设计方法确实利于提升列车的横风稳定性。

（2）利用正交试验设计和统计分析相结合的方法，探索了矩形条带四个几何参数与列车两个关键气动载荷间的关系：首先，根据方差分析结果，确定了四个几何参数的主次顺序；接着，假设条带几何参数与关键气动载荷呈线性相关，利用多元线性回归分析对二者的相关方向进行了判断；最后，在保证次要参数不变的情况下，通过极差分析结果得到了条带外形设计的优选方案，并对其作用效果进行了评估。

（3）在灵敏度分析所得结论的基础上，以矩形条带的两个主要几何参数为设计变量、列车的侧向力系数和倾覆力矩系数为优化目标，采用基于Kriging替代模型的多目标遗传算法NSGA Ⅱ，开展了面向高速列车横风气动性能的非光滑表面优化设计。通过全局寻优确定Pareto最优解后，先评估了相应设计方案的优化效果，又结合数值计算结果进一步验证了其有效性，并根据流场特性揭示了列车横风稳定性得以提升的根本原因。