高速列車外觀設(shè)計的進(jìn)展和發(fā)展趨勢

曾耀東

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，我國高速列車成為一種高速度、高載能力的現(xiàn)代化軌道交通工具，其外觀設(shè)計也成為高速列車整體設(shè)計的重點內(nèi)容。為了在高速列車外觀設(shè)計中把美觀性和實用性進(jìn)行有效的結(jié)合，本文針對高速列車外觀設(shè)計的進(jìn)展和未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析和研討，對高速列車外觀設(shè)計中的造型、色彩、空氣動力學(xué)、地域文化等多種因素的影響進(jìn)行了研究分析，通過對我國高速列車外觀設(shè)計的進(jìn)展進(jìn)行研究分析，對未來我國高速列車外觀設(shè)計的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望，希望可以為我國高速列車外觀設(shè)計的研究提供一些參考。

關(guān)鍵詞：高速列車 外觀設(shè)計 研究進(jìn)展 未來 發(fā)展趨勢

1 引言

在我國科學(xué)技術(shù)水平不斷進(jìn)步和發(fā)展的影響下，我國高鐵發(fā)展受到了全世界的青睞，高速列車的外觀設(shè)計（車頭及車身造型設(shè)計與整車涂裝設(shè)計兩大部分）也在不斷的完善和進(jìn)步， 并且發(fā)生了巨大的改變。在新時代的今天，隨著人們審美能力的變化，對高速列車外觀設(shè)計的審美要求也在不斷的提升，人們對高速列車的美感越來越重視，但是受到多種因素的影響，高速列車外觀設(shè)計也各有不同。雖然現(xiàn)階段，我國高速列車已經(jīng)在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先水平，但是仍然還有很大的發(fā)展空間。如何實現(xiàn)我國高速列車外觀設(shè)計新的飛躍和質(zhì)的變化成為很多研究者們重點研究的課題。而本文就以此為研究對象，對我國高速列車外觀設(shè)計的進(jìn)展和發(fā)展趨勢進(jìn)行了研討。

2 現(xiàn)階段我國高速列車外觀設(shè)計的進(jìn)展

2.1 空氣動力學(xué)對車頭設(shè)計的影響

空氣動力學(xué)是力學(xué)的一個分支，其主要是指在空氣以及其他氣體的作用力下對氣體中正在不斷運動物體的受力情況、氣體的流動規(guī)律、以及相關(guān)的物理化學(xué)變化等方面的研究，是在流體力學(xué)基礎(chǔ)上融入了航空工業(yè)和噴氣推進(jìn)技術(shù)的一門學(xué)科。發(fā)展到上個世紀(jì)，空氣動力學(xué)在環(huán)境保護(hù)、能源利用以及交通、運輸、氣象、建筑等方面都得到了廣泛的應(yīng)用，并在其發(fā)展過程中衍生出了工業(yè)空氣動力學(xué)等學(xué)科分支。如今在我國高速列車外觀設(shè)計的進(jìn)程中，空氣動力學(xué)也成了及其重要的參考依據(jù)。

對于高速列車，車頭的造型設(shè)計非常重要，不光是顏值，更重要的是它內(nèi)含著關(guān)鍵的核心技術(shù)，其中很高的科技含量在此就與空氣動力學(xué)相關(guān)，因為對于運動中的高速列車周身都有各種氣流環(huán)繞。這是一個主觀因素必須最大程度滿足客觀因素的設(shè)計，其設(shè)計要從概念設(shè)計、仿真分析、模型試驗、實車試驗等不同階段，不斷循環(huán)優(yōu)化而成，目的就是克服列車周身各種氣流的困繞，使之平穩(wěn)快速。它是集技術(shù)、文化、美學(xué)等諸要素于一體的、交叉的、多目標(biāo)的、綜合的、復(fù)雜的、超大規(guī)模的知識密集系統(tǒng)集成。而其外觀流線型車頭的長度設(shè)計會影響到列車在空氣中的阻力，一般長度越長，阻力越小，空氣動力學(xué)的性能越高。如果在高速列車的整體長度一定的情況下，車頭的造型越是扁寬，空氣阻力越小，越接近圓型，空氣阻力就會越大。

隨著我國高速列車技術(shù)的不斷完善和長足發(fā)展，車頭的外觀設(shè)計隨著列車的速度提升在不斷的完善，從開始階段的CRH380B型的7.7米增加到了CR400-BF型的10.38米，再到CRH380A的12米。車頭外觀設(shè)計也經(jīng)過多次改良，現(xiàn)有橢圓型、扁寬型、鈍型、楔型以及梭形等設(shè)計類型。我國現(xiàn)有幾款仿生車頭設(shè)計（如飛龍、金鳳凰、雛鷹、駿馬、小海豹、火箭、青銅劍等）就非常出色，是工業(yè)設(shè)計與空氣動力學(xué)結(jié)合的完美體現(xiàn)和典范。

現(xiàn)代高速列車的成功設(shè)計是技術(shù)與藝術(shù)完美結(jié)合的產(chǎn)物，體現(xiàn)了技術(shù)美與功能美的巧妙融合，方圓和凸凹的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)折的流線、門窗的大小與位置、車燈的大小與布置等等在比例、尺寸、細(xì)節(jié)諸方面看似平常的形式美，其實內(nèi)含一種變化、協(xié)調(diào)、統(tǒng)一的秩序之美，簡單之中包含了高度的科技文化內(nèi)涵。

目前，德、法、日、加、英、意、西等國設(shè)計水平還是具有一定的相對優(yōu)勢，很值得我們學(xué)習(xí)和借鑒。基于安全的技術(shù)性能之后，如何把握列車功能和造型的完美結(jié)合，如何度量設(shè)計中的比例尺度、對比協(xié)調(diào)、節(jié)奏韻律等是今后設(shè)計過程中值得研究的課題，這是中國的現(xiàn)實及文化之需求，也是世界之需求。力爭把中國列車系列設(shè)計從地域化發(fā)展到國際化，成為引領(lǐng)時代的驕者，彰顯中國科技文化強(qiáng)國的形象窗口。尋找差異，超越自己，超越世界！

2.2 影響高速列車外觀設(shè)計的因素

首先，車體的斷面形狀會影響到高速列車外觀的設(shè)計。

一般車體的斷面形狀會對列車外觀的氣動升力、表面的壓力、兩輛列車交會時的壓力波、以及橫向氣動性能產(chǎn)生影響。如下圖1車體斷面圖中所示，如果當(dāng)R2在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行變化，那么對橫向力的影響不會太大;如果R1增大，那么橫向力、傾覆力矩以及升力都會出現(xiàn)減小的情況;而H對橫向力的影響并不大，但是在H增加，負(fù)升力會降低，傾覆力矩就會增加，所以，H不能太高。R3對橫向力造成的影響并不大。α和β會對橫向力、傾覆力矩以及升力產(chǎn)生一定的影響，所以，在進(jìn)行高速列車外觀斷面設(shè)計的時候，需要以鼓形斷面為主，并根據(jù)列車速度等級的變化和不同風(fēng)阻系數(shù)情況來對斷面進(jìn)行不斷的調(diào)整和完善，讓其更加接近于鼓形斷面。

其次，列車的長細(xì)比會對外觀設(shè)計產(chǎn)生影響。

長細(xì)比主要是指車頭的長度和橫斷面之間的比，不同速度等級列車的定位對長細(xì)比的要求也各不相同，列車車頭長細(xì)比值越大，整個列車的阻力就越小，列車交會時候的壓力波也會越小。所以，列車車頭設(shè)計的過程中需要根據(jù)車輛的運行線路、橋梁和隧道要求情況、以及運行的速度情況等來對車頭的長細(xì)比進(jìn)行明確。在列車車速不斷提高的情況下，列車的車頭造型也在逐漸從原來的短粗型向著扁長型發(fā)展;但是，也并不是說車頭的長細(xì)比越大越好，在長細(xì)比高于臨界值很多的時候，并不會對車頭的氣動阻力產(chǎn)生影響，而車尾氣動阻力就會隨著長細(xì)比的增加而減小。

另外，鼻錐對列車外觀設(shè)計的影響。

高速列車外觀設(shè)計的關(guān)鍵影響因素是列車前端部分的開閉機(jī)構(gòu)的鼻錐，鼻錐的造型設(shè)計會影響到整個列車空氣動力的大小;另外也會受到列車車鉤伸縮、開閉機(jī)構(gòu)以及上下左右擺動幅度等因素的影響。對于鼻錐的影響，鼻錐越尖，前段的截面面積的變化率就越小，這樣就會增加列車在進(jìn)入隧道口時的微氣壓波;同時，鼻錐越尖，前段壓力梯度就會越小，這樣就會造成后段壓力梯度的增加，在兩車交會的時候就會產(chǎn)生不良的影響;在鼻錐比較尖的情況下，說明鼻錐前端的迎風(fēng)面比較小，就會減少氣動的阻力;在鼻錐和其下端的排障器起引流共同作用的影響下，會對氣動升力進(jìn)行補(bǔ)償。

此外，駕駛室的傾角會對列車外觀設(shè)計產(chǎn)生影響。

如果駕駛室的傾角是呈現(xiàn)出圓滑過渡的，那么就可以減少列車在運行過程中氣流對車體的影響。而在駕駛室傾角進(jìn)行設(shè)計的時候需要重點考慮駕駛?cè)藛T的視野變化，同時還要滿足于駕駛空間的要求和相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在對駕駛室中四季視野、操作臺、儀表布置、頭等等各項設(shè)備空間校正之后，滿足列車駕駛室的需求之后，才可以對駕駛室的傾角進(jìn)行設(shè)計，并且還需要根據(jù)駕駛?cè)藛T凈空間和操作性、舒適性進(jìn)行再一次的核對和校正。

2.3 高速列車外觀設(shè)計中涂裝色彩的應(yīng)用

在高速列車的外觀設(shè)計中，其主要的涂裝就是色彩。色彩作為非語言的信息傳遞方式，具有獨特記憶的視覺傳達(dá)效果，而每一種色彩都有其獨特的感官語言，給人以不同的心理感受，運用適當(dāng)能起到事半功倍的效果。一般情況在進(jìn)行列車外觀設(shè)計的過程中，三維造型是體現(xiàn)設(shè)計思維的重要方式，而色彩的裝飾性也是非常重要的，怎樣把三維造型和色彩進(jìn)行有效的結(jié)合，也是高速列車外觀設(shè)計的重要內(nèi)容。同時也要注意到列車外觀色彩設(shè)計時，不管是線條、色塊還是具象的、抽象的圖案在靜態(tài)或者緩慢移動時視覺傳達(dá)是清晰直觀的，而移動時是模糊的條帶狀，這種色彩上的視覺效果要特別注意，前者應(yīng)該是重點考慮的問題。

色彩的運用首先要考慮本民族文化特色和審美趣味（出口列車產(chǎn)品更應(yīng)該尊重地域文化特色），其次是人文環(huán)境，再者是自然環(huán)境。滿足列車整體給乘客、公眾的感官刺激以及心理感受。力爭把科技感、速度感、安全感、美學(xué)感的設(shè)計原則成熟地運用到列車涂裝設(shè)計之中，打造具有民族特點和審美趣味的涂裝設(shè)計。

現(xiàn)在國際的高速列車外觀設(shè)計中，德、法、日、韓等國部分色彩較鮮明、大膽，個性較突出;而我國現(xiàn)在在設(shè)計上個性不足，體系化不明顯，應(yīng)該大膽運用中國元素，彰顯中國文化特色。如儒家文化、道家文化等等都大可一試，可嘗試單體車飾整體化（內(nèi)外），一種或多種車型做整體車系或局部車系車飾系統(tǒng)化涂裝。只有民族性的設(shè)計才具有世界性，總之要打造具有中國特色的國際列車品牌文化。

外觀色彩的應(yīng)用不僅可以體現(xiàn)造型的獨特性，同時還可以體現(xiàn)民族文化和現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計的有效融合。

當(dāng)然，內(nèi)飾設(shè)計也很重要，因為乘客是身置其中，直觀上享受精神和物質(zhì)層面的感覺。我國現(xiàn)有車內(nèi)涂裝軟硬件檔次有待提升，內(nèi)飾色彩上、個性差異化上、文化特色上不明顯，同時座椅、行李架、燈光等等的舒適度、使用上還有待改善，音樂、可視媒體、裝飾物等等營造文化氛圍的功能（單一性和整體性）有待加強(qiáng)。以人為本，努力創(chuàng)造舒適、親切、愉悅的列車家園。

高速列車涂裝設(shè)計是一個全新的現(xiàn)代感性設(shè)計，承載著深厚的民族文化內(nèi)涵和更高的審美情趣。所以，在高速列車外觀設(shè)計的過程中，合理利用涂裝設(shè)計的巧妙變化，可以讓我國高速列車很好的體現(xiàn)我國獨特的民族精神和文化內(nèi)涵。

3 高速列車外觀設(shè)計未來發(fā)展趨勢

3.1 信息化技術(shù)對高速列車外觀設(shè)計的影響

隨著我國信息化技術(shù)水平的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)開始被廣泛的應(yīng)用在各個領(lǐng)域和行業(yè)中，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在制造行業(yè)中的應(yīng)用水平不斷完善和發(fā)展，數(shù)據(jù)的傳輸、搜集以及大數(shù)據(jù)技術(shù)在生產(chǎn)制造行業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)得到普及，讓傳統(tǒng)生產(chǎn)制造行業(yè)實現(xiàn)了顛覆性的重構(gòu)。在這樣的情況下，我國高速列車外觀設(shè)計也將面對新的挑戰(zhàn)，信息化技術(shù)的應(yīng)用讓外觀設(shè)計過程中的數(shù)據(jù)研究分析更加精確，為外觀設(shè)計提供了更加精準(zhǔn)的保障。

3.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)對高速列車外觀設(shè)計的影響

在高速列車外觀設(shè)計的過程中，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以對高速列車的外觀設(shè)計進(jìn)行模擬試驗，通過對列車裝配、拆卸、外觀、內(nèi)飾等多方面的模擬來更好的對其設(shè)計進(jìn)行分析和試驗檢測，尋找出更加合適的設(shè)計數(shù)據(jù)，從而提高外觀設(shè)計的準(zhǔn)確性、美觀性和實用性。

3.3 未來科學(xué)技術(shù)對高速列車外觀設(shè)計的影響

未來科技的創(chuàng)新和高度發(fā)達(dá)，讓世界變化日新月異，高速列車的外觀設(shè)計也是一樣，可能會超乎人們的想象。如新型動力、超級材料、超智能技術(shù)、超級工藝、超級仿生學(xué)等等的變化發(fā)展，都可能影響其設(shè)計——車頭及整體車身的造型、駕駛室的空間設(shè)計、人機(jī)界面系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、車內(nèi)整體設(shè)計以及桌椅造型等個體的細(xì)化等等，到那時完全是一種造型新穎、高速快捷、舒適安全、節(jié)能環(huán)保、大客流、全天候的新型運輸載體。

4 結(jié)語

在我國高速列車外觀設(shè)計的過程中，會受到多種因素的影響，如空氣動力學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、美學(xué)、地域文化等等，另外還需要對列車外觀設(shè)計的前瞻性和未來發(fā)展趨勢進(jìn)行多重的考慮，設(shè)計出具有中國符號的功能美與形式美有機(jī)結(jié)合的品牌文化列車，只有這樣才可以推動我國高速列車的快速發(fā)展，讓我國高速列車在世界高速列車中占據(jù)一定的優(yōu)勢和地位，從而塑造出領(lǐng)先的、標(biāo)準(zhǔn)化的國際品牌和適應(yīng)新時代的全新技術(shù)列車，領(lǐng)跑世界。

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