新干線列車頭型的形性協同設計研究

李怡，楊瀾，姬鵬，劉麗君

（湖南大學設計 a.藝術學院 b.汽車車身先進設計制造國家重點實驗室 長沙 410082）

高速列車是一個國家科技發展水平的重要標志，不僅體現在列車的速度上，也體現在列車運行的安全性和造型的美觀性上[1]。隨著列車運行速度的提高，列車的氣動性能成為不可忽視的問題，良好的空氣動力性能需通過最優的列車造型設計來保證[2]。通過對車體外形尤其是列車頭型進行優化設計，可以明顯提升列車運行時的氣動性能，因此，頭型的選取和優化是高速列車研發過程中的關鍵問題之一。國內外學者在高速列車頭型設計上進行了大量探索。Mu?oz-Paniagua等[3]用遺傳算法優化頭部外形，Sahuck等[4]用變形設計法求列車頭車、尾車的最佳形狀，都達到了減小阻力的效果；Zhang等[5]提出通過多目標氣動優化對高速列車流線型車頭進行多目標自動尋優設計。目前，對高速列車的外形設計研究與列車空氣動力學性能研究分屬工業設計與列車空氣動力學兩個領域，兩種研究相對孤立[6-8]。如果只關注列車氣動性能的改善，不利于列車外形代際的延續；相反，如果只關注列車外形，不利于列車氣動性能的提升[9]。現有車系的設計框架已經不能充分滿足高速列車設計制造大國的形象需求，這種現狀阻礙了國家宏觀政策的實施[10]。因此，列車外形設計與列車氣動性能的協同研究即高速列車形性協同研究變得十分重要[11]。

1 新干線列車車型形態特征分析

造型風格的產生是品牌歷史和新設計概念的綜合過程[12]，一個品牌外形成熟的標志為自身風格的形成[13]。列車外形及設計理念隨著列車運營速度不斷提升而變化，使列車外形的階段性特征明顯。對優秀列車家族的外形演化研究與針對性了解可為我國高速列車形性協同造型研究提供參考。因日本新干線列車投入運營時間早、跨越速度等級多、工況限制條件極端且列車外形譜系化研究深入，故以日本新干線列車為例對列車形性協同造型進行推演研究。

1.1 列車三維模型樣本庫建立

根據現有公布列車基本參數與相關材料對新干線投入運營的16種高速列車車型進行計算機輔助幾何模型建立，得到新干線全系列16種車型三維幾何模型，見圖1。

圖1 日本新干線三維模型樣本庫Fig.1 Sample library of 3D models of Shinkansen in Japan

通過眼動實驗對新干線品牌下列車外觀形態進行特征量化分析與提煉[14]，基于三維模型樣本追蹤人眼在注視頭型外形時的停留時間，以捕捉列車外形特征信息，完成新干線列車頭型外形特征提取。本次眼動實驗共招募50名受試者，要求被測者視力狀況良好、無色盲色弱現象、無影響視覺效應的身體缺陷。眼部數據通過Tobii Eye Tracker 5眼動儀采集，采用瞳孔角膜向量反射技術記錄眼球運動，采樣頻率為133 Hz。基于預實驗測試結果，實驗將16種車型的模型素材按照列車運營時間順序播放，并設定10 s為單個素材展現時間，記錄受試者視覺焦點位置，完成實驗測試過程。眼動儀通過受試者對實驗素材的注視時長來量化實驗結果，生成車身注視熱點圖，并通過Tobii Studio軟件對50位受試者的實驗數據進行整理分析，得到新干線列車16種車型的實驗結果，實驗現場與結果展示見圖2。

圖2 實驗現場與結果展示Fig.2 Experimental site and results displayed

為得到直觀的測量結果，以E2 Series車型為基礎，對16種車型的眼動結果進行擬合分析。根據列車頭型區域劃分習慣，將列車頭部劃分為15個外形特定區域，如圖3所示。根據注視時長和特征性狀表現，提取最為明顯的四個區域：鼻端部、前臉部、肩部和走行部，見圖4。

圖3 列車頭型區域劃分Fig.3 Fitting results and area division

圖4 列車頭型重要區域提取劃分Fig.4 Extraction and division of important areas of locomotive head shape

1.2 列車典型特征提取

提取列車鼻端部、前臉部、肩部、走行部四個區域的型線進行整體比對，分析總結各區域特征的性狀表現，即提取列車鼻端部外輪廓線、司機室型線、肩部高度、走形部凸起度，各型線與四區域整體比對如圖5所示。

通過整體比對，發現隨著列車流線型長度增加，列車鼻端部由圓潤演化為扁寬，逐漸出現鼻尖長、鼻頭大的形態特征；列車前臉部分通過減少司機室周圍截面積來抵消司機室位置的截面變化率突變，以致司機室突起明顯；列車肩部為不斷減少中段外形截面面積，導致司機室及側面相對突起、曲面轉折大，出現雙翼型氣動外形；流線型長度增加導致列車走行部區域變窄，為完整包裹轉向架需增加一個外凸的曲面變形，同時在轉向架上方利用一個內凹曲面來抵消增加的體積，導致列車走行部突起、曲面轉折大。

2 新干線列車階段性形性協同演化

2.1 列車車型演變與階段劃分

以時間順序按速度等級將新干線列車劃分為四個階段，每個階段都有其外形的主要特征，由此更好地展開高速列車形性協同設計研究，見圖6。

圖6 日本車型發展關系階段圖Fig.6 Phase diagram of the development relationship of Japanese models

1964年至1985年，車型整體采用“子彈頭型”外形，最高運營速度為235 km/h，具有外形整體化、車身平順化的特點，列車前端流線型整體圓潤；1992年至1994年，車型整體采用“楔形型”外形，最高運營速度為280 km/h，列車整體截面面積降低，擁有一體化車身和裙邊；1997年至2004年，車型整體采用“鴨嘴型”外形，最高運營速度為295 km/h，列車整體流線型長度增加，截面面積再次優化，曲面更順滑；2007年至2014年，車型整體采用“雙翼型”外形，最高運營速度為320 km/h，列車車身加大長細比，截面變化率不斷優化，列車造型由雙拱形優化至三拱形。

2.2 列車階段性形性協同演化推演過程

對新干線列車頭型進行形性協同演化推演，分析新干線列車在不同速度階段下形成的形態特征。選取高速列車的初始形狀I（列車外輪廓線、主型線、整體曲面造型），提取其區域形態特征S（鼻端部、前臉部分、肩部、走行部形態特征），通過n種規則R進行推演。常用推演規則如下：R1—置換列車整體型線；R2—加長或縮短列車流線型長度；R3—對列車多條型線進行縮放調整；R4—復制列車組件以對稱應用；R5—對列車多條型線進行旋轉調整；R6—對列車曲面造型進行錯切調整；R7—變動列車型線坐標；R8—對列車曲面造型進行微調。為模擬更真實的推演環境，輸入規則時同時填充約束E（列車運行工況限制、性能要求等），在規則和約束的共同作用下得到新的形態曲線。

第一階段，速度等級200～235 km/h，共三種車型。該階段以氣動減阻為主要設計目標，造型整體差異較小，首先加長列車流線型長度提升列車高度；再調整主型線控制點使車身造型趨于平順；最后對整體曲面造型進行微調，加大列車曲面轉折。推演過程見圖7a。

第二階段，速度等級240～280 km/h，共三種車型。該階段將楔形作為列車氣動拓撲外形，在氣動減阻基礎上以保證交會安全為主要外形設計目標。通過縮放外輪廓線來降低列車整體截面面積，減小氣動阻力與交會壓力波；增加列車流線型長度，擁有一體化車身和裙邊；對整體曲面造型進行微調，力求在列車表面形成平穩的壓力梯度。推演步驟見圖7b。

第三階段，速度等級285～295 km/h，共六種車型。該階段通過調整外輪廓線來減小截面形狀，采用大氣壓力難以影響的圓形截面；同時流線型長度增長至9 m以上；最后對整體曲面造型進行微調，運用截面變化率思路指導列車外形設計，車型設計以“鴨嘴形”為基礎，曲面變化逐漸復雜化。推演步驟見圖7c。

第四階段，速度等級300～320 km/h，共四種車型。該階段在氣動減阻、降低交會、減弱隧道壓力波影響的同時，以氣動降噪為主要外形設計目的。在不改變車頭長度情況下，運用三維仿真技術使頭部截面面積變化率及截面形狀達到最佳；同時增加流線型長度加大列車長細比；最后對整體曲面造型進行微調，引入“雙翼型氣動布局”設計理念，列車造型由雙拱形優化至三拱形。推演步驟見圖7d。

圖7 四階段形性協同演化推演過程Fig.7 Deduction process of four-stage shape co-evolution

2.3 列車各階段形性協同設計形態特征歸納

完成新干線階段性形性協同推演后，對各階段列車頭型特征進行歸納。200～235 km/h速度階段，車頭采用橢圓形，車身造型一體化、平順化，流線型長度不超過5 m，形態特征不明顯；240～280 km/h速度階段，楔形作為列車氣動拓撲外形，降低列車整體截面面積，增加車身表面光順度，流線型長度在6～8 m，司機室區域特征開始顯現；285～295 km/h速度階段，整體采用鴨嘴形頭部造型，鼻端部特征開始顯現，司機室突起特征明顯，為減小截面形狀以圓形車體截面來優化截面變化率，減少外形截面變化率突變，流線型長度在9～12 m；300～320 km/h速度階段，鼻端部區域扁寬、司機室區域采用水滴形天篷，引入“雙翼型氣動布局”設計理念力求降低空氣阻力，采用全包風擋（覆蓋式折篷）使細小部位也能夠實現平滑化，不斷優化截面變化率，整體趨向最優截面變化，流線型長度在12～15 m為宜。列車各階段外形形式見圖8。

圖8 新干線列車各階段車型外形特征Fig.8 Appearance characteristics of various stages of Shinkansen

3 從形態特征出發的形性協同設計方法

列車外形特征的出現并不是偶然的，是在氣動外形設計的不斷優化中逐漸形成的。設計師在列車外形設計過程中，首先根據運營速度要求確定列車流線型長度，其次根據不同的基礎參數與工況要求來選擇與之對應的形態特征。選取中國高速列車不同速度階段列車外形進行對比，分析在各自速度階段下列車外形如何運用形態特征進行迭代升級。

以運營速度200～300 km/h階段的CRH2A型列車與CR300AF型列車、運營速度300 km/h以上的CRH380A型列車與CR400AF型列車為例進行分析。

CR300AF與CRH2A運營速度相當，在形態特征上，CR300AF縮短流線型長度，縮短鼻端部長度且造型更加圓潤，減小司機室隆起幅度，肩部轉折更平滑圓潤，加大側墻內凹幅度與走行部曲面轉折。因該階段運行速度較低，CR300AF通過縮短流線型長度、適當弱化形態特征來減少列車的制造與運維成本，同時通過加大肩部與走行部曲面轉折來保證列車的氣動性能，詳見圖9a。

圖9 列車階段性形態特征變化Fig.9 Changes in train morphological characteristics

CRH380A與CR400AF運營速度相當，在形態特征上，兩車型流線型長度相同，CR400AF強化鼻端部的扁寬造型以獲得更好的截面變化，減少司機室隆起幅度，加大側墻內凹幅度與走行部曲面轉折，詳見圖9b。該階段列車運行速度高、流線型長度長，在列車流線型外形布局上，司機室位置后移能使列車頭型更尖銳，形態特征更明顯；在不同的工況限制條件下，通過對不同區域特征的合理運用與調整能在保證氣動性能情況下更快地進行列車外形設計。

4 結語

本文以眼動實驗對新干線列車外形進行區域劃分，提取新干線列車典型特征，并對新干線列車按照時間順序與運營速度進行階段劃分，結合各速度階段氣動性能需求進行列車頭部外形形態推演，歸納總結新干線列車在形性協同設計中使用的方法。通過分析列車鼻端部、前臉部、肩部、走行部四個區域特征性狀表現與氣動性能的對應關系，建立針對我國列車設計的形性協同設計方法。在高速列車外形設計過程中，通過對不同區域特征的合理運用與調整能在兼顧氣動性能情況下提升列車外形設計品質。