前瞻科技

面向行车平稳性的高速磁浮列车气动设计

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田红旗 ¹^,²^,^† , 张雷 ¹^,² , 王田天 ¹^,²^,³ , 周丹 ¹^,² , 孟爽 ¹^,² , 刘东润 ¹^,² , 陈光 ¹^,² , 王家斌 ¹^,²

前瞻科技 | 综述与述评 2023,2(4): 70-77

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前瞻科技 | 综述与述评 2023, 2(4): 70-77

面向行车平稳性的高速磁浮列车气动设计

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田红旗¹^,²^,^†, 张雷¹^,², 王田天¹^,²^,³, 周丹¹^,², 孟爽¹^,², 刘东润¹^,², 陈光¹^,², 王家斌¹^,²

作者信息

1.中南大学轨道交通安全教育部重点实验室，长沙 410075

2.中南大学交通运输工程学院，长沙 410075

3.湖南大学机械与运载工程学院，长沙 410082

田红旗，教授，中国工程院院士。湖南省科协主席。中国轨道交通空气动力学、列车撞击动力学两个领域开拓者。电子信箱：thq@csu.edu.cn。

通信作者:

^†

Aerodynamic Design of High-speed Maglev Trains for Running Stability

Hongqi TIAN¹^,²^,^†, Lei ZHANG¹^,², Tiantian WANG¹^,²^,³, Dan ZHOU¹^,², Shuang MENG¹^,², Dongrun LIU¹^,², Guang CHEN¹^,², Jiabin WANG¹^,²

Affiliations

1. Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education, Central South University, Changsha 410075, China

2. School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China

3. College of Mechanical and Vehicle Engineering, Hunan University, Changsha, 410082, China

出版时间: 2023-12-20 doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2023.04.007

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摘要

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高速磁浮列车运行速度提升至600 km/h，其气动阻力、升力急剧增加，各车厢气动升力差异巨大且变化增大；强风、交会及进出隧道场景下，列车倾覆力矩、偏航力矩及俯仰力矩显著增加，甚至出现剧烈波动，不仅严重影响高速磁浮列车运行平稳性，同时加大了悬浮导向系统精准控制的难度。文章论述了高速磁浮列车气动设计研究现状，从基础理论、关键技术与标准评估方面剖析了高速磁浮列车气动设计面临的挑战，围绕气动力与电磁力匹配设计、气动协同设计与试验验证技术体系构建，提出了面向行车平稳性的高速磁浮列车气动设计研究方向与对策建议。

关键词

磁浮列车 / 空气动力学 / 电磁悬浮 / 气动设计 / 运行平稳性

Abstract

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The operating speed of the high-speed maglev train is increased to 600 km/h, resulting in a significant increase in aerodynamic drag and lift forces. The aerodynamic lift force of each carriage varies greatly and changes drastically. In scenes with strong winds, two-train crossing, and entering or exiting tunnels, the overturning moment, yawing moment, and pitching moment of the train increase significantly, and even exhibit severe fluctuations, which not only seriously affects the running stability of the high-speed maglev train but also increases the difficulty of accurate control of the levitation guidance system. This paper discusses the current research status of aerodynamic design of high-speed maglev trains, analyzes the challenges faced in terms of basic theory, key technologies, and standard and evaluation system. The paper proposes research directions and countermeasures for aerodynamic design of high-speed maglev trains focusing on running stability. The research directions and countermeasures include the matching design of aerodynamic forces and electromagnetic forces, the construction of aerodynamic collaborative design and experimental verification technology system.

Key words

maglev train / aerodynamics / electromagnetic levitation / aerodynamic design / running stability

引用本文

田红旗, 张雷, 王田天, 周丹, 孟爽, 刘东润, 陈光, 王家斌. 面向行车平稳性的高速磁浮列车气动设计. 前瞻科技, 2023 , 2 (4) : 70 -77 . DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2023.04.007

Hongqi TIAN, Lei ZHANG, Tiantian WANG, Dan ZHOU, Shuang MENG, Dongrun LIU, Guang CHEN, Jiabin WANG. Aerodynamic Design of High-speed Maglev Trains for Running Stability[J]. Science and Technology Foresight, 2023 , 2 (4) : 70 -77 . DOI: 10.3981/j.issn.2097-0781.2023.04.007

正文

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高速磁浮列车以600 km/h的速度在明线、隧道、强风环境等不同场景下运行时，会引发强气动阻力、升力、侧向力及瞬态冲击压力等，其中，气动阻力在总阻力中的占比超过90%^[1]，气动升力最高可达列车自重的40%。强风环境运行时，气动侧向力超过列车自重的25%^[2]，各车之间气动力分布差异大，列车侧滚力矩、偏航力矩及俯仰力矩大幅波动导致车厢明显晃动，进而降低高速磁浮列车运行平稳性，加大了悬浮导向间隙的调整难度，在极端情况下可造成车轨碰撞事故。

为改善高速磁浮列车空气动力学性能，提升列车运行平稳性，有必要系统且全面地开展高速磁浮列车气动设计研究。高速磁浮列车气动设计包括列车流线型、车体横断面、车厢连接部、车底复杂结构等参数的优化及匹配，受列车运行速度、线路结构形式及参数、列车车体结构参数等因素的综合影响，是列车运行平稳性约束下的多目标、多要素一体化设计体系。因此，探索复杂运行环境下高速磁浮列车空气动力学行为劣化机理，提出面向行车平稳性的高速磁浮列车气动设计原理及方法，对于推动高速磁浮运载系统技术装备自主创新具有十分重要的意义。

1 高速磁浮列车气动设计研究进展

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行车速度的大幅提升恶化了高速磁浮列车的气动性能，升力、侧向力及倾覆力矩等气动载荷激增，严重影响高速磁浮列车运行平稳性，加大了电磁悬浮系统的控制难度。国内外专家学者针对高速磁浮列车的气动设计及方法开展了系列研究。

中国引进德国常导高速磁浮（Transrapid, TR）交通技术，2002年在上海建成世界上第一条磁浮交通商业运营线，最高试验速度为501 km/h，最高运营速度为430 km/h^[3]。上海高速磁浮列车示范运营线实车试验结果表明，运行速度大幅提升导致的空气动力学问题已成为影响列车运行平稳性的关键因素之一，尤其是列车交会压力波的大幅增加，导致车厢产生明显晃动现象，严重影响列车运行的平稳性和悬浮导向系统的精确控制。

高速磁浮列车气动外形参数优化研究结果表明^[4-5]，气动外形流线化、平顺化是降低磁浮列车气动阻力的重要方法，将流线型长度增大至17 m，气动阻力可降低26%，在17 m的基础上继续增大流线型长度，减阻效果将不再明显；流线型长度的变化还对气动升力大小及在各车厢的分布特性产生较大影响。此外，运行速度的大幅提升导致列车交会压力波激增，其带来的强瞬态气动冲击载荷不仅会造成车体结构变形，同时会引发列车晃车现象，从而影响列车运行稳定性和乘坐舒适性^[6⇓-8]。600 km/h速度级高速磁浮列车空气动力学特性动模型试验结果表明^[9]，交会压力波特性不仅与列车气动外形参数相关，同时也受线间距的影响，因此，在开展高速磁浮列车气动外形设计时，线间距等线路参数也是需要考虑的关键因素。强风将导致列车气动性能进一步恶化。已有研究表明，列车交会与横风运行场景下，高速磁浮列车升力、侧向力等气动载荷激增，各节车厢气动力分布不均匀性增大，严重影响磁浮列车运行稳定性^{[10⇓⇓-13]}。

“十三五”国家重点研发计划高速磁浮交通专项的设立，为高速磁浮列车气动设计理论、仿真技术、试验装置的构建与研发提供了契机。高速磁浮列车气动外形参数化设计方法研究快速发展^[14]，新型的减阻方法得以探索^[15-16]，使高速磁浮列车气动阻力进一步降低。中国600 km/h速度级高速磁浮样车的气动阻力相比TR08常导高速磁浮列车下降17%，交会压力波减小5%以上。高速磁浮列车气动噪声机理研究更加深入^[17-18]，流动控制方法及消声材料的运用可使气动噪声下降1~2 dB(A)。磁浮列车穿越隧道的气动性能研究表明，列车进出隧道及在隧道内交会时，气动升力、侧向力及倾覆力矩出现较大的波动，改进列车头部流线型拱形结构气动参数不仅能够有效减小列车进出隧道时气动力的波动，而且能缓解车/隧耦合气动特性^[19-20]。为验证高速磁浮列车气动优化效果，中国研建了600 km/h速度级高速磁浮列车空气动力学性能动模型试验系统，最大模型比例达1∶20，最高试验速度为680 km/h，可模拟5.1~5.4 m线间距和4~10 m高的桥梁，并实现了线间距的无级调节^[9]。采用上述动模型试验平台，测试了不同外形、不同制式高速磁浮列车明线交会及隧道运行时的气动性能参数，高速磁浮列车动模型试验平台及试验模型分别见图1和图2。研究结果表明，列车气动外形的优化不仅能够减小列车气动力的大幅波动，对降低交会压力波及缓解车/隧耦合气动特性也具有明显的效果。此外，列车风的测试分析表明，现有的人体安全退避距离限值难以满足磁浮列车高速越站的安全需求，需要对磁浮列车进行气动优化设计以减小高速越站引发的列车风。

综上，已有的高速磁浮列车气动设计研究主要围绕气动减阻、缓解交会压力波和车/隧耦合气动效应而展开，气动优化设计聚焦于单一因素影响下的气动性能提升。这些研究工作表明，改变高速磁浮列车气动外形或者线路气动参数，气动阻力、升力、侧向力等气动载荷均会发生明显变化，是影响列车运行平稳性的重要因素。因此，高速磁浮列车气动设计是运行平稳性约束下的气动外形-运行环境-线路参数-人员安全多因素、多目标一体化设计。为了提高高速磁浮列车运行平稳性，当前迫切需要深入研究复杂运行环境下高速磁浮列车空气动力行为的劣化机理，提出高速磁浮交通系统气动性能提升方法，建立面向行车平稳性的高速磁浮列车气动设计理论和技术。

2 面临的挑战

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600 km/h速度级高速磁浮列车的气动阻力占比已超过90%，气动减阻节能可提高磁浮交通技术经济竞争力，符合国家“双碳”目标的实现要求，是磁浮列车气动设计的重要目标^[1]。更重要的是，高速磁浮列车气动设计必须满足不同应用场景下列车高安全、高平稳、高舒适运行需求。磁浮列车的气动升力与车轨之间的悬浮间隙密切相关，极端情况下气动升力可达列车自重的40%，显著改变了电磁悬浮系统的负载，对悬浮控制系统造成干扰，从而影响磁浮列车平稳行驶和安全运行^[2]。此外，特殊运行条件下侧向力的剧烈变化对电磁导向系统造成干扰，也是高速磁浮交通系统需要关注并加以解决的问题，例如，强风环境下或列车交会时侧向力变化带来的运行稳定性和安全性挑战^[21-22]。“十三五”期间，中国研制了600 km/h速度级高速磁浮国产化样车，完成了动模型试验及数值仿真模拟，实车试验仅在同济大学1.5 km试验线进行了速度约60 km/h的低速试跑，目前尚无试验条件进行磁浮列车高速运行空气动力学特性研究。因此，面向运行平稳性的高速磁浮交通系统气动设计理论和技术亟待进一步完善和验证。未来研究面临的主要挑战如下。

1）高速磁浮列车-轨道-环境-人员耦合气动设计理论需建立体系

面向行车平稳性的高速磁浮列车气动设计理论的构建，须综合考虑高速磁浮气动外形、列车速度、轨道外形、隧道气动参数等多个因素的影响，同时需要明确气动特性与列车运行平稳性的交互影响机制。然而，现有的气动设计基础理论体系是基于400 km/h速度级以下轨道交通系统构建的，且高速磁浮交通的车轨几何关系和动力相互作用方式与轮轨列车有显著差别，现有的轮轨列车空气动力学理论难以表征和解释600 km/h速度级高速磁浮交通系统气动性能的劣化过程，亟须从基础理论层面揭示高速磁浮列车-轨道-环境-人员耦合空气动力演化机理，为高速磁浮列车气动设计研究奠定理论基础。

2）高速磁浮列车形性协同气动设计方法技术体系有待进一步完善

高速磁浮列车是复杂的巨系统，其气动设计需要满足多层次性能目标和应用需求，涉及车重、气动力、噪声等多要素指标要求，高速磁浮列车-轨道-运行环境-人员构成的大系统涉及多尺度、多学科、多物理量的交叉和融合，气动力-气动噪声-结构强度-运行平稳性等多元参数交互作用机制复杂，其关联特性尚未探明，导致气动参数指标分解-分指标循环迭代优化-分指标聚合-体系性能评估的一体化协同设计难度大幅提升，有待构建高速磁浮列车形性协同气动设计系统研究方法与技术体系，为高速磁浮交通系统空气动力学性能的提升提供技术支撑。

3）高速磁浮列车气动设计标准、试验验证及评估体系还不够健全

中国地域辽阔，具有高寒、高温、强风沙、高海拔等复杂的自然地理环境，一旦高速磁浮交通系统全面应用，高速磁浮列车需要跨区间、全天候、持续以600 km/h的速度运行，其气动力、气动噪声、运行平稳性、乘员舒适性、隧道参数等系列空气动力学指标在国际上没有完整适用的技术标准可供参考。当前采用的试验验证体系主要有模型试验和实车试验两种。然而模型试验只能采用缩比模型开展研究，其模型精度保障尤其是悬浮间隙的模拟难度极大，实车试验仅在同济大学1.5 km试验线进行了约60 km/h速度级的低速试跑，尚没有高速试验条件，现有试验验证体系无法满足600 km/h速度级高速磁浮交通系统空气动力学特性的精准验证需求。中国住房和城乡建设部发布的《高速磁浮交通车辆通用技术条件》和《高速磁浮交通设计标准》行业标准适用最高速度为500 km/h，目前缺少适用于600 km/h速度级的磁浮车辆及轨道技术要求和关键参数。由此可见，亟待从关键理论和技术层面揭示600 km/h速度级高速磁浮列车气动力对列车运行平稳性的影响机理，提出适用于600 km/h速度级高速磁浮列车气动设计的相关标准、验证体系和评价方法。

3 发展方向及研究重点

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强风、穿越隧道、列车交会等不同运行场景下高速磁浮列车周围的流场结构差异明显，所受气动载荷差异巨大，尤其不同场景切换时，高速磁浮列车气动特性劣化现象尤为显著，气动力波动幅度较大，导致行车平稳性下降。因此，开展多运行场景下面向运行平稳性的高速磁浮列车气动设计，提出悬浮导向友好型气动优化设计理论、方法和技术体系，实现运行平稳性约束下气动力-电磁力的匹配，形成高速磁浮列车气动设计规范是下一步重点研究方向。

3.1 空气升力与电磁悬浮力匹配气动设计

强瞬态风场、桥隧通过、交会等运行场景下，高速磁浮列车气动升力大幅波动，不同车厢之间气动升力分布差异巨大，严重影响列车运行平稳性，给电磁悬浮力的精确控制和调节带来严峻的挑战。须结合实车试验、模型试验和数值仿真方法，开展复杂服役场景下高速磁浮列车关键外形参数，如流线型长度、司机室位置、纵剖面形状、流线型截面变化率等，对气动升力的影响规律研究，探明各关键参数对气动升力大小及分布特征的影响权重。在此基础上，通过气动升力的加载，探索气动升力与电磁悬浮力耦合作用机理，探明气动升力对高速磁浮列车运行平稳性的影响机制；结合高速磁浮列车运行平稳性及悬浮参数要求，开展流线型外形、车体横断面参数、车厢连接部参数等多参数耦合的高速磁浮列车气动设计研究，实现气动升力大小及不同车厢气动升力差异的降低，保障高速磁浮列车运行的平稳性。

3.2 空气侧向力与电磁导向力匹配气动设计

横向气动载荷与电磁导向力的合理匹配是保证高速磁浮列车横向平稳性的关键。穿越隧道、列车交会及突遇横风等运行场景均会导致高速磁浮列车横向气动载荷瞬态失稳，造成高速磁浮列车车体晃动，电磁导向间隙波动急剧增大，易出现车-轨碰触引发的导向失效问题，严重危及高速磁浮列车运行平稳与安全性。亟须探索高速磁浮列车车体外形结构，包括流线型头部、裙板、车顶弧外形等气动参数对横向气动载荷变化的影响规律；通过横向气动载荷的加载，揭示高速磁浮列车侧向力-电磁力-运行平稳和安全性的动态耦合作用机制；以缓解横向气动载荷为目标，结合电磁导向力控制要求，构建列车尾涡、侧向涡系时空演化发展流动控制的气动外形设计方法，建立强风环境下高速磁浮列车涡平衡防风设施气动参数设计技术，实现整车侧向力及不同车辆侧向力差异的降低，为高速磁浮列车的平稳运行提供支撑。

3.3 空气阻力与电磁牵引力匹配气动设计

高速磁浮列车运行速度达600 km/h。由于空气阻力与速度的平方成正比，更高行车速度伴随阻力与能耗激增。轮轨列车气动减阻除了流线型头部、车体横断面优化以外，还可通过包覆裙板、转向架、受电弓、风挡等多结构气动参数优化减阻，而高速磁浮列车与轨道无接触运行，其95%以上的阻力为气动阻力，能够开展减阻气动优化的参数只有流线型头部、车体横断面等。传统气动减阻方法的效果已趋于极致，亟待研究降低高速磁浮列车头尾压差阻力及车身黏性阻力的减阻新理论和方法体系。探索主动流动控制技术（如吹吸气、零质量射流、振荡射流等）对高速磁浮列车头尾压差阻力与车身表面边界层的调控发展的影响规律；构建参数化表面微观构型等效数值模型，探索微观构型表面流动特性与减阻机理，建立基于微观构型的高速磁浮列车表面最优减阻匹配策略；探明各主动流动控制方法与高速磁浮列车的适配性，揭示其对列车周围流场的作用机理，提出自适应、高效能、高鲁棒的主动流动控制减阻技术，实现高速磁浮列车减阻节能正增益，为提升高速磁浮列车的牵引效率提供理论参考与技术支持。

3.4 磁浮列车气动协同设计技术与试验验证体系

高速磁浮列车气动设计参数的改变，将导致气动阻力、升力、侧向力的耦合变化，进一步引起列车倾覆力矩、点头力矩和摇头力矩发生改变。其中，倾覆力矩引发列车车体侧滚，点头力矩会导致车体前后部垂向起伏运动，而摇头力矩则会导致列车车体前后部同时横向摆动，均会对列车运行平稳性带来不利影响。因此，如何通过高速磁浮列车气动设计实现气动力及力矩的协同优化，是未来高速磁浮列车气动设计研究的重大难题。此外，目前缺少适用于600 km/h速度级的磁浮车辆、轨道技术和关键参数要求标准、规范，且尚不具备600 km/h速度级的高速磁浮列车实车达速试验条件。

相比于轮轨列车，高速磁浮列车运行平稳性对气动力的变化更为敏感。高速磁浮列车穿越隧道时，气动升力、阻力、侧向力等相比明线运行均明显增大，进一步影响高速磁浮列车运行的平稳性。在当前不具备600 km/h达速试验条件，尤其是在高速磁浮列车穿越隧道实车试验数据缺失的情况下，亟待研究构建气动性能-动力学性能耦合模拟方法，揭示气动性能对高速磁浮列车动力学行为的影响特性，为高速磁浮列车气动优化设计提供指导和支撑。

综上，亟待从关键理论、技术、标准和试验验证层面，探索不同运行场景下列车周围流场结构演化理论，特别是气动设计参数变化对气动载荷的影响机制，并结合高速磁浮列车动力学行为特性，提出面向行车平稳性的高速磁浮列车气动协同设计方法及其标准、试验验证体系，推动高速磁浮交通技术的发展和应用。

4 对策建议

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为构建安全、舒适的600 km/h速度级磁浮交通系统，提出以下对策建议。

（1）强化高速磁浮列车气动设计基础研究，推动技术创新。落实交通强国战略，推动600 km/h速度级磁浮交通系统技术研发的要求，制定高速磁浮交通系统气动设计基础研究与技术发展顶层规划，充分发挥高校、科研院所理论与基础研究优势作用，联合行业关键企业，全面推动高速磁浮交通系统产-学-研-用创新链发展，实现高速磁浮列车空气动力形性协同设计理论及技术全面突破。

（2）推动600 km/h速度级磁浮示范线路建设，加快高速磁浮列车全场景体系化空气动力试验链的构建。从国家层面建立推动高速磁浮示范线路建设的整体规划，选取上海、长沙、青岛等高速磁浮交通产业基础较好，同时有强烈意愿的城市作为工程试点，建设上海—杭州、长沙—株洲、青岛—济南高速磁浮交通系统示范线路，持续推进高速磁浮列车空气动力试验平台、高精度高保真动态追踪测试技术和体系化试验修正与反演准则的构建，创建世界上最为完备的高速磁浮列车全场景体系化空气动力试验链。

（3）推动600 km/h速度级磁浮交通系统气动设计标准体系建设，掌握国际高速磁浮交通系统技术指标体系话语权。强化高速磁浮交通系统动力学和控制工程的交叉融通，从车-隧-环境等层面研究提出列车稳定性约束下的高速磁浮列车气动试验技术、性能评估指标、关键气动参数等气动设计相关技术标准体系。

（4）持续推进空气动力学仿真分析软件平台研发，突破国外技术封锁，解决空气动力学仿真分析软件“卡脖子”问题。通过自主研发功能先进、种类齐全的空气动力学仿真分析软件系统，建设国际领先的空气动力学专用高性能计算机系统，构建拥有自主知识产权的高性能、高精度、世界一流水平的空气动力学仿真分析软件，为中国高速磁浮交通系统气动设计提供自主可控的高效仿真评估工具。

5 结束语

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中国600 km/h速度级磁浮列车车速的大幅提升将导致车-隧-环境-气候耦合条件下气动特性劣化，气动升力、侧向力及气动力矩剧增，且波动范围较大，加大了电磁悬浮导向控制难度，严重影响列车运行稳定性。气动设计参数交叉影响更加复杂、协同设计难度更大、试验评估体系构建更为艰巨，高速磁浮交通系统气动设计和试验评估面临新的巨大挑战。亟待针对高速磁浮列车气动协同设计和高速运行环境下全场景气动试验评估难题，在理论及设计方法、试验体系、标准制定等方面开展研究，提出面向行车平稳性的高速磁浮列车气动设计理论体系，创建全场景体系化试验链，研发复杂气动外形结构设计技术及国产化仿真软件，实现高速列车气动协同设计、试验评估的重大突破。

参考文献

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文献

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2023年第2卷第4期

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2450

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doi: 10.3981/j.issn.2097-0781.2023.04.007

接收时间：2023-11-01
出版时间：2023-12-20
发布时间：2024-01-07

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收稿日期：2023-11-01
修回日期：2023-11-16

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1.中南大学轨道交通安全教育部重点实验室，长沙 410075

2.中南大学交通运输工程学院，长沙 410075

3.湖南大学机械与运载工程学院，长沙 410082

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/qzkj/CN/10.3981/j.issn.2097-0781.2023.04.007

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表12种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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