新干线列车头型的形性协同设计研究

李怡，杨澜，姬鹏，刘丽君

（湖南大学设计 a.艺术学院 b.汽车车身先进设计制造国家重点实验室 长沙 410082）

高速列车是一个国家科技发展水平的重要标志，不仅体现在列车的速度上，也体现在列车运行的安全性和造型的美观性上[1]。随着列车运行速度的提高，列车的气动性能成为不可忽视的问题，良好的空气动力性能需通过最优的列车造型设计来保证[2]。通过对车体外形尤其是列车头型进行优化设计，可以明显提升列车运行时的气动性能，因此，头型的选取和优化是高速列车研发过程中的关键问题之一。国内外学者在高速列车头型设计上进行了大量探索。Muñoz-Paniagua等[3]用遗传算法优化头部外形，Sahuck等[4]用变形设计法求列车头车、尾车的最佳形状，都达到了减小阻力的效果；Zhang等[5]提出通过多目标气动优化对高速列车流线型车头进行多目标自动寻优设计。目前，对高速列车的外形设计研究与列车空气动力学性能研究分属工业设计与列车空气动力学两个领域，两种研究相对孤立[6-8]。如果只关注列车气动性能的改善，不利于列车外形代际的延续；相反，如果只关注列车外形，不利于列车气动性能的提升[9]。现有车系的设计框架已经不能充分满足高速列车设计制造大国的形象需求，这种现状阻碍了国家宏观政策的实施[10]。因此，列车外形设计与列车气动性能的协同研究即高速列车形性协同研究变得十分重要[11]。

1 新干线列车车型形态特征分析

造型风格的产生是品牌历史和新设计概念的综合过程[12]，一个品牌外形成熟的标志为自身风格的形成[13]。列车外形及设计理念随着列车运营速度不断提升而变化，使列车外形的阶段性特征明显。对优秀列车家族的外形演化研究与针对性了解可为我国高速列车形性协同造型研究提供参考。因日本新干线列车投入运营时间早、跨越速度等级多、工况限制条件极端且列车外形谱系化研究深入，故以日本新干线列车为例对列车形性协同造型进行推演研究。

1.1 列车三维模型样本库建立

根据现有公布列车基本参数与相关材料对新干线投入运营的16种高速列车车型进行计算机辅助几何模型建立，得到新干线全系列16种车型三维几何模型，见图1。

图1 日本新干线三维模型样本库Fig.1 Sample library of 3D models of Shinkansen in Japan

通过眼动实验对新干线品牌下列车外观形态进行特征量化分析与提炼[14]，基于三维模型样本追踪人眼在注视头型外形时的停留时间，以捕捉列车外形特征信息，完成新干线列车头型外形特征提取。本次眼动实验共招募50名受试者，要求被测者视力状况良好、无色盲色弱现象、无影响视觉效应的身体缺陷。眼部数据通过Tobii Eye Tracker 5眼动仪采集，采用瞳孔角膜向量反射技术记录眼球运动，采样频率为133 Hz。基于预实验测试结果，实验将16种车型的模型素材按照列车运营时间顺序播放，并设定10 s为单个素材展现时间，记录受试者视觉焦点位置，完成实验测试过程。眼动仪通过受试者对实验素材的注视时长来量化实验结果，生成车身注视热点图，并通过Tobii Studio软件对50位受试者的实验数据进行整理分析，得到新干线列车16种车型的实验结果，实验现场与结果展示见图2。

图2 实验现场与结果展示Fig.2 Experimental site and results displayed

为得到直观的测量结果，以E2 Series车型为基础，对16种车型的眼动结果进行拟合分析。根据列车头型区域划分习惯，将列车头部划分为15个外形特定区域，如图3所示。根据注视时长和特征性状表现，提取最为明显的四个区域：鼻端部、前脸部、肩部和走行部，见图4。

图3 列车头型区域划分Fig.3 Fitting results and area division

图4 列车头型重要区域提取划分Fig.4 Extraction and division of important areas of locomotive head shape

1.2 列车典型特征提取

提取列车鼻端部、前脸部、肩部、走行部四个区域的型线进行整体比对，分析总结各区域特征的性状表现，即提取列车鼻端部外轮廓线、司机室型线、肩部高度、走形部凸起度，各型线与四区域整体比对如图5所示。

通过整体比对，发现随着列车流线型长度增加，列车鼻端部由圆润演化为扁宽，逐渐出现鼻尖长、鼻头大的形态特征；列车前脸部分通过减少司机室周围截面积来抵消司机室位置的截面变化率突变，以致司机室突起明显；列车肩部为不断减少中段外形截面面积，导致司机室及侧面相对突起、曲面转折大，出现双翼型气动外形；流线型长度增加导致列车走行部区域变窄，为完整包裹转向架需增加一个外凸的曲面变形，同时在转向架上方利用一个内凹曲面来抵消增加的体积，导致列车走行部突起、曲面转折大。

2 新干线列车阶段性形性协同演化

2.1 列车车型演变与阶段划分

以时间顺序按速度等级将新干线列车划分为四个阶段，每个阶段都有其外形的主要特征，由此更好地展开高速列车形性协同设计研究，见图6。

图6 日本车型发展关系阶段图Fig.6 Phase diagram of the development relationship of Japanese models

1964年至1985年，车型整体采用“子弹头型”外形，最高运营速度为235 km/h，具有外形整体化、车身平顺化的特点，列车前端流线型整体圆润；1992年至1994年，车型整体采用“楔形型”外形，最高运营速度为280 km/h，列车整体截面面积降低，拥有一体化车身和裙边；1997年至2004年，车型整体采用“鸭嘴型”外形，最高运营速度为295 km/h，列车整体流线型长度增加，截面面积再次优化，曲面更顺滑；2007年至2014年，车型整体采用“双翼型”外形，最高运营速度为320 km/h，列车车身加大长细比，截面变化率不断优化，列车造型由双拱形优化至三拱形。

2.2 列车阶段性形性协同演化推演过程

对新干线列车头型进行形性协同演化推演，分析新干线列车在不同速度阶段下形成的形态特征。选取高速列车的初始形状I（列车外轮廓线、主型线、整体曲面造型），提取其区域形态特征S（鼻端部、前脸部分、肩部、走行部形态特征），通过n种规则R进行推演。常用推演规则如下：R1—置换列车整体型线；R2—加长或缩短列车流线型长度；R3—对列车多条型线进行缩放调整；R4—复制列车组件以对称应用；R5—对列车多条型线进行旋转调整；R6—对列车曲面造型进行错切调整；R7—变动列车型线坐标；R8—对列车曲面造型进行微调。为模拟更真实的推演环境，输入规则时同时填充约束E（列车运行工况限制、性能要求等），在规则和约束的共同作用下得到新的形态曲线。

第一阶段，速度等级200～235 km/h，共三种车型。该阶段以气动减阻为主要设计目标，造型整体差异较小，首先加长列车流线型长度提升列车高度；再调整主型线控制点使车身造型趋于平顺；最后对整体曲面造型进行微调，加大列车曲面转折。推演过程见图7a。

第二阶段，速度等级240～280 km/h，共三种车型。该阶段将楔形作为列车气动拓扑外形，在气动减阻基础上以保证交会安全为主要外形设计目标。通过缩放外轮廓线来降低列车整体截面面积，减小气动阻力与交会压力波；增加列车流线型长度，拥有一体化车身和裙边；对整体曲面造型进行微调，力求在列车表面形成平稳的压力梯度。推演步骤见图7b。

第三阶段，速度等级285～295 km/h，共六种车型。该阶段通过调整外轮廓线来减小截面形状，采用大气压力难以影响的圆形截面；同时流线型长度增长至9 m以上；最后对整体曲面造型进行微调，运用截面变化率思路指导列车外形设计，车型设计以“鸭嘴形”为基础，曲面变化逐渐复杂化。推演步骤见图7c。

第四阶段，速度等级300～320 km/h，共四种车型。该阶段在气动减阻、降低交会、减弱隧道压力波影响的同时，以气动降噪为主要外形设计目的。在不改变车头长度情况下，运用三维仿真技术使头部截面面积变化率及截面形状达到最佳；同时增加流线型长度加大列车长细比；最后对整体曲面造型进行微调，引入“双翼型气动布局”设计理念，列车造型由双拱形优化至三拱形。推演步骤见图7d。

图7 四阶段形性协同演化推演过程Fig.7 Deduction process of four-stage shape co-evolution

2.3 列车各阶段形性协同设计形态特征归纳

完成新干线阶段性形性协同推演后，对各阶段列车头型特征进行归纳。200～235 km/h速度阶段，车头采用椭圆形，车身造型一体化、平顺化，流线型长度不超过5 m，形态特征不明显；240～280 km/h速度阶段，楔形作为列车气动拓扑外形，降低列车整体截面面积，增加车身表面光顺度，流线型长度在6～8 m，司机室区域特征开始显现；285～295 km/h速度阶段，整体采用鸭嘴形头部造型，鼻端部特征开始显现，司机室突起特征明显，为减小截面形状以圆形车体截面来优化截面变化率，减少外形截面变化率突变，流线型长度在9～12 m；300～320 km/h速度阶段，鼻端部区域扁宽、司机室区域采用水滴形天篷，引入“双翼型气动布局”设计理念力求降低空气阻力，采用全包风挡（覆盖式折篷）使细小部位也能够实现平滑化，不断优化截面变化率，整体趋向最优截面变化，流线型长度在12～15 m为宜。列车各阶段外形形式见图8。

图8 新干线列车各阶段车型外形特征Fig.8 Appearance characteristics of various stages of Shinkansen

3 从形态特征出发的形性协同设计方法

列车外形特征的出现并不是偶然的，是在气动外形设计的不断优化中逐渐形成的。设计师在列车外形设计过程中，首先根据运营速度要求确定列车流线型长度，其次根据不同的基础参数与工况要求来选择与之对应的形态特征。选取中国高速列车不同速度阶段列车外形进行对比，分析在各自速度阶段下列车外形如何运用形态特征进行迭代升级。

以运营速度200～300 km/h阶段的CRH2A型列车与CR300AF型列车、运营速度300 km/h以上的CRH380A型列车与CR400AF型列车为例进行分析。

CR300AF与CRH2A运营速度相当，在形态特征上，CR300AF缩短流线型长度，缩短鼻端部长度且造型更加圆润，减小司机室隆起幅度，肩部转折更平滑圆润，加大侧墙内凹幅度与走行部曲面转折。因该阶段运行速度较低，CR300AF通过缩短流线型长度、适当弱化形态特征来减少列车的制造与运维成本，同时通过加大肩部与走行部曲面转折来保证列车的气动性能，详见图9a。

图9 列车阶段性形态特征变化Fig.9 Changes in train morphological characteristics

CRH380A与CR400AF运营速度相当，在形态特征上，两车型流线型长度相同，CR400AF强化鼻端部的扁宽造型以获得更好的截面变化，减少司机室隆起幅度，加大侧墙内凹幅度与走行部曲面转折，详见图9b。该阶段列车运行速度高、流线型长度长，在列车流线型外形布局上，司机室位置后移能使列车头型更尖锐，形态特征更明显；在不同的工况限制条件下，通过对不同区域特征的合理运用与调整能在保证气动性能情况下更快地进行列车外形设计。

4 结语

本文以眼动实验对新干线列车外形进行区域划分，提取新干线列车典型特征，并对新干线列车按照时间顺序与运营速度进行阶段划分，结合各速度阶段气动性能需求进行列车头部外形形态推演，归纳总结新干线列车在形性协同设计中使用的方法。通过分析列车鼻端部、前脸部、肩部、走行部四个区域特征性状表现与气动性能的对应关系，建立针对我国列车设计的形性协同设计方法。在高速列车外形设计过程中，通过对不同区域特征的合理运用与调整能在兼顾气动性能情况下提升列车外形设计品质。