高速动车组流线型头型设计技术研究

刘凤华 邢海英

摘 要：按照高速动车组设计指标及技术要求，从头型优化设计的顶层技术参数、方法到设计过程方面介绍高速动车组流线型头型气动外形设计技术。结合以往动车组流线型头型设计、仿真分析及试验经验，将理论与实践结合给出动车组头型设计的合理长度区间。设计与分析过程体现出高速动车组头型新的设计理念，对高速动车组头型的自主研发具有非常重要的现实作用。

关键词：高速动车组;流线型头型;设计技术;仿真分析;试验

中图分类号：U271.91

随着高速列车速度的不断提高，列车的空气动力学问题越显突出。优化设计列车车头的外形，减小列车阻力，并使之具有良好的空气动力学性能是高速动车组研发的重要任务。高速动车组头型的设计技术在不断提升，其设计过程是一项复杂的系统工程，需要工业造型设计、结构设计、人机工程分析、空气动力学仿真分析及试验等多学科相互交叉耦合，因此涉及大量的设计、分析及试验任务。本文主要对3辆车编组高速动车组的设计指标与技术分析，以及头型设计全过程进行介绍。

1 高速动车组设计指标与技术分析

根据高速动车组用户的相关技术文件要求，不同速度等级动车组的头型气动外形设计主要指标包括空气阻力、气动升力及交汇压力波。其中，空气阻力系数的要求如表1所示;气动升力的要求是在无环境风时，头尾车的气动升力应接近于零;交汇压力波的要求是速度为350 km/h的动车组小于6 kPa，速度为250 km/h及以下的动车组小于4 kPa。

高速动车组的设计应根据安全、舒适、节能、环保等方面的总体原则进行分析设计，基于上述技术指标要求，在切实保障安全性的前提下，全力提升乘坐舒适度指标，同时兼顾节能和环保的要求，实现以人为本的根本目标。安全方面涉及的空气动力学性能指标有气动升力、交汇压力波、横向气动性能、表面压力及列车风等。舒适方面涉及的空气动力学性能指标有交汇压力波、气动噪声及列车风等。节能方面涉及的空气动力学性能指标是空气阻力。环保方面涉及的空气动力学性能指标有气动噪声、列车风、微气压波等。所有涉及的空气动力学性能指标均与设计变量有关，包括长细比、断面形状、断面面积、断面面积变化率、纵断面形状、水平断面形状、鼻锥引流角、驾驶舱倾角、车身表面平顺度等。然而，这些设计变量又受到列车头部造型、司机视野、司机室布置、室内空间、工艺方法及产品制造成本等的限制，因此需要综合考虑各种制约因素，寻求气动性能最佳，且造型美观、产品易于实现、制造成本可接受、符合市场需求的高速动车组流线型头型。

2 流线型头型设计的指标要求和流程

2.1 设计指标要求

高速动车组流线型头型的研发必须满足列车运行所需的空气动力性能要求，同时必须考虑车体结构、内部空间、人机工程等要求，以及制造工艺的便捷和造型的美观，而美观的造型对企业品牌塑造具有重要作用。

流线型头型设计必须满足以下要求：

（1）列车运行所需的空气动力性能指标要求，如表面压力、空气阻力、气动升力、交汇压力波、气动噪声及横向气动性能;

（2）列车结构及工艺技术要求，如车体结构、内部空间、人机工程、司机视野及工艺实现方法等;

（3）列车气动外形基本要求，如流线型头型、鼓型断面、排障器倒流、封闭转向架及表面无涡流区等。

2.2 设计流程

流线型头型设计的流程为：顶层设计参数确定→工业造型设计→人机工程分析→结构及工艺分析→仿真分析及试验→施工设计→样车制造及再优化。现以实际案例分析设计流程中的每一个关键步骤，具体如下。

2.2.1 顶层设计参数确定

车头的长度直接影响列车的气动阻力、气动升力、交会压力波、气动噪声及曲线通过能力。通过考虑长细比因素和对欧系、日系高速动车组头型的研究分析，并根据以往高速动车组的设计、分析及试验经验，本文建议不同速度等级动车组的车头设计长度及3辆车编组的气动系数如表2所示。

车体的断面形状主要影响列车的交会压力波及横向气动性能，理想的斷面为鼓形断面。鼓壁车身断面与直壁相比可减小列车的交会压力波。在如图1所示的车体断面示意图中，R2在一定范围内变化，对横向气动性能的影响不大;R1增大，则横向力、升力和倾覆力矩均随之显著减小;H变化对横向力的影响也不大，但H增加，负升力幅值迅速降低，而倾覆力矩迅速增加，因此H不宜过高;R3及R4对横向力的影响也不大;α、β对横向力、升力和倾覆力矩都有一定的影响。

车头长度和断面形状确定后，需要确定纵断面及水平断面控制线，从而形成头部造型。目前常见的列车头型有扁宽型和椭球型2种。扁宽型的头型有助于减小空气压力波，但空气阻力较大，需用加长车头长度等方式降低阻力。椭球型的头型空气阻力最小，但空气压力波相对较大，需要满足车体的强度要求和侧窗玻璃的抗瞬态冲击能力。

2.2.2 工业造型设计

工业造型根据设计的基本原则及理念、仿生学理论、顶层技术指标及设计参数、司机视野及人机工程、企业文化等进行造型设计。目前欧洲ICE、AGV等动车组头型造型整体浑圆，注重细节减阻;日本500系、700系等动车组头型造型线条丰富，造型多样，注重降噪，且长细比大;我国CRH系列动车组和标准动车组等头型整体造型方圆结合，形体过渡流畅。图2为某高速动车组造型仿生设计方案。

2.2.3 人机工程分析

人机工程分析是在UIC 651：2002 《机车 动车 动车组和驾驶拖车的司机室设计》、GB 10000-1988《中国成年人人体尺寸》、 EN 45545：2013 《机车材料的防火保护》、TB/T

3091-2008《铁路机车司机职业健康检查规范》等相关标准基础上，采用人因仿真分析软件Jack对司机室进行人机分析，包括司机室设备布置符合单司机操作要求分析、司机座椅舒适性及搁脚板高度分析、司机作业姿势分析、司机室瞭望视野分析、检修空间分析、司机室通往客室方向的门或走廊的快速通过能力分析、逃生窗的逃生功能分析等内容。图3为某高速动车组人机分析部分过程示意图。

2.2.4 结构及工艺分析

结构及工艺分析包括司机室外壳、车钩、挡风玻璃、侧窗、开闭机构、车灯、雨刷、内装结构布置、工艺实现方法、安全可靠性、制造成本及维护成本等，还需要分析车头限界及曲线通过能力等。从国内外高速动车组的发展趋势来看，司机室外壳材质主要分为铝合金和复合材料2种。不同的材质会影响工业造型模块分割、工艺实现方法及制造成本等。复合材料外壳设计时需要考虑模具开发、与铝车体的连接方式、抗冲击能力、分缝对车头造型的影响等，造型越复杂，分缝位置越不好确定，模型成本越高，与车体的连接方式也会影响其抗冲击能力。挡风玻璃需考虑是单曲面还是双曲面，加热方式是电阻丝加热还是镀膜加热，这都涉及生产成本和可靠性，因此需按照UIC 651：2002或者TB/T 1451-2017《机车、动车组前窗玻璃》的要求进行射弹试验。图4为某高速动车组头型复合材料外壳示意图，图5为单曲面夹层电阻丝加热玻璃示意图。

2.2.5 仿真分析及试验

高速动车组头型设计方案确认需要经过以下阶段：①头型工业设计阶段，根据技术要求设计出多种造型方案;②分析及试验阶段，头型工业设计方案需要经过多次反复的空气动力学性能分析及试验优化;③结合模型及实车试制定型。图6为某高速动车组仿真分析及试验过程图。仿真分析具有计算周期短、研发费用低等优势，是高速列车造型概念设计方案初步评估的主要方法。风洞模型试验及动模型试验是对列车造型及空气流动进行测试必不可少的手段，所得的试验数据可为改善列车气动性能提供重要依据。在线实车试验可反映列车周围的真实空气流动情况，虽耗时耗力，存在一定的技术难点，但它是列车试运营前校正模拟试验数据、获取实际数据的重要过程。

2.2.6 施工设计、样车制造及再优化

在列车头型方案确定后进行施工设计。列车头型施工设计涉及车头结构、整体结构强度、材料性能、制造与加工工艺、质量要求及成本控制等多个方面，这不仅要实现流线化的造型，满足气动性能的要求，做到便于车体结构承载传力，还要考虑与其他部件的协调及减小自身质量等。整个施工过程是包括结构方案设计、工艺方案设计、模型车制造、样车制造及再优化设计的复杂系统工程。

3 结语

根据以往高速动车组的设计、分析及试验经验，本文给出了不同速度等级下高速动车组车头的设计长度区间及3辆车编组的气动系数，并从工业造型设计、空气动力学仿真分析、模型试验等方面阐述了动车组车头的设计方法及过程，真正体现了高速动车组头型设计的选型技术。开发不同速度等级的系列化头型，使其具有良好的空气动力学性能，并进行结构的模块化及再优化设计是高速动车组研发的重中之重。

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收稿日期 2020-01-15

责任编辑 党选丽