高速動車組流線型頭型設計技術研究

劉鳳華 邢海英

摘 要：按照高速動車組設計指標及技術要求，從頭型優化設計的頂層技術參數、方法到設計過程方面介紹高速動車組流線型頭型氣動外形設計技術。結合以往動車組流線型頭型設計、仿真分析及試驗經驗，將理論與實踐結合給出動車組頭型設計的合理長度區間。設計與分析過程體現出高速動車組頭型新的設計理念，對高速動車組頭型的自主研發具有非常重要的現實作用。

關鍵詞：高速動車組;流線型頭型;設計技術;仿真分析;試驗

中圖分類號：U271.91

隨著高速列車速度的不斷提高，列車的空氣動力學問題越顯突出。優化設計列車車頭的外形，減小列車阻力，并使之具有良好的空氣動力學性能是高速動車組研發的重要任務。高速動車組頭型的設計技術在不斷提升，其設計過程是一項復雜的系統工程，需要工業造型設計、結構設計、人機工程分析、空氣動力學仿真分析及試驗等多學科相互交叉耦合，因此涉及大量的設計、分析及試驗任務。本文主要對3輛車編組高速動車組的設計指標與技術分析，以及頭型設計全過程進行介紹。

1 高速動車組設計指標與技術分析

根據高速動車組用戶的相關技術文件要求，不同速度等級動車組的頭型氣動外形設計主要指標包括空氣阻力、氣動升力及交匯壓力波。其中，空氣阻力系數的要求如表1所示;氣動升力的要求是在無環境風時，頭尾車的氣動升力應接近于零;交匯壓力波的要求是速度為350 km/h的動車組小于6 kPa，速度為250 km/h及以下的動車組小于4 kPa。

高速動車組的設計應根據安全、舒適、節能、環保等方面的總體原則進行分析設計，基于上述技術指標要求，在切實保障安全性的前提下，全力提升乘坐舒適度指標，同時兼顧節能和環保的要求，實現以人為本的根本目標。安全方面涉及的空氣動力學性能指標有氣動升力、交匯壓力波、橫向氣動性能、表面壓力及列車風等。舒適方面涉及的空氣動力學性能指標有交匯壓力波、氣動噪聲及列車風等。節能方面涉及的空氣動力學性能指標是空氣阻力。環保方面涉及的空氣動力學性能指標有氣動噪聲、列車風、微氣壓波等。所有涉及的空氣動力學性能指標均與設計變量有關，包括長細比、斷面形狀、斷面面積、斷面面積變化率、縱斷面形狀、水平斷面形狀、鼻錐引流角、駕駛艙傾角、車身表面平順度等。然而，這些設計變量又受到列車頭部造型、司機視野、司機室布置、室內空間、工藝方法及產品制造成本等的限制，因此需要綜合考慮各種制約因素，尋求氣動性能最佳，且造型美觀、產品易于實現、制造成本可接受、符合市場需求的高速動車組流線型頭型。

2 流線型頭型設計的指標要求和流程

2.1 設計指標要求

高速動車組流線型頭型的研發必須滿足列車運行所需的空氣動力性能要求，同時必須考慮車體結構、內部空間、人機工程等要求，以及制造工藝的便捷和造型的美觀，而美觀的造型對企業品牌塑造具有重要作用。

流線型頭型設計必須滿足以下要求：

（1）列車運行所需的空氣動力性能指標要求，如表面壓力、空氣阻力、氣動升力、交匯壓力波、氣動噪聲及橫向氣動性能;

（2）列車結構及工藝技術要求，如車體結構、內部空間、人機工程、司機視野及工藝實現方法等;

（3）列車氣動外形基本要求，如流線型頭型、鼓型斷面、排障器倒流、封閉轉向架及表面無渦流區等。

2.2 設計流程

流線型頭型設計的流程為：頂層設計參數確定→工業造型設計→人機工程分析→結構及工藝分析→仿真分析及試驗→施工設計→樣車制造及再優化?，F以實際案例分析設計流程中的每一個關鍵步驟，具體如下。

2.2.1 頂層設計參數確定

車頭的長度直接影響列車的氣動阻力、氣動升力、交會壓力波、氣動噪聲及曲線通過能力。通過考慮長細比因素和對歐系、日系高速動車組頭型的研究分析，并根據以往高速動車組的設計、分析及試驗經驗，本文建議不同速度等級動車組的車頭設計長度及3輛車編組的氣動系數如表2所示。

車體的斷面形狀主要影響列車的交會壓力波及橫向氣動性能，理想的斷面為鼓形斷面。鼓壁車身斷面與直壁相比可減小列車的交會壓力波。在如圖1所示的車體斷面示意圖中，R2在一定范圍內變化，對橫向氣動性能的影響不大;R1增大，則橫向力、升力和傾覆力矩均隨之顯著減小;H變化對橫向力的影響也不大，但H增加，負升力幅值迅速降低，而傾覆力矩迅速增加，因此H不宜過高;R3及R4對橫向力的影響也不大;α、β對橫向力、升力和傾覆力矩都有一定的影響。

車頭長度和斷面形狀確定后，需要確定縱斷面及水平斷面控制線，從而形成頭部造型。目前常見的列車頭型有扁寬型和橢球型2種。扁寬型的頭型有助于減小空氣壓力波，但空氣阻力較大，需用加長車頭長度等方式降低阻力。橢球型的頭型空氣阻力最小，但空氣壓力波相對較大，需要滿足車體的強度要求和側窗玻璃的抗瞬態沖擊能力。

2.2.2 工業造型設計

工業造型根據設計的基本原則及理念、仿生學理論、頂層技術指標及設計參數、司機視野及人機工程、企業文化等進行造型設計。目前歐洲ICE、AGV等動車組頭型造型整體渾圓，注重細節減阻;日本500系、700系等動車組頭型造型線條豐富，造型多樣，注重降噪，且長細比大;我國CRH系列動車組和標準動車組等頭型整體造型方圓結合，形體過渡流暢。圖2為某高速動車組造型仿生設計方案。

2.2.3 人機工程分析

人機工程分析是在UIC 651：2002 《機車 動車 動車組和駕駛拖車的司機室設計》、GB 10000-1988《中國成年人人體尺寸》、 EN 45545：2013 《機車材料的防火保護》、TB/T

3091-2008《鐵路機車司機職業健康檢查規范》等相關標準基礎上，采用人因仿真分析軟件Jack對司機室進行人機分析，包括司機室設備布置符合單司機操作要求分析、司機座椅舒適性及擱腳板高度分析、司機作業姿勢分析、司機室瞭望視野分析、檢修空間分析、司機室通往客室方向的門或走廊的快速通過能力分析、逃生窗的逃生功能分析等內容。圖3為某高速動車組人機分析部分過程示意圖。

2.2.4 結構及工藝分析

結構及工藝分析包括司機室外殼、車鉤、擋風玻璃、側窗、開閉機構、車燈、雨刷、內裝結構布置、工藝實現方法、安全可靠性、制造成本及維護成本等，還需要分析車頭限界及曲線通過能力等。從國內外高速動車組的發展趨勢來看，司機室外殼材質主要分為鋁合金和復合材料2種。不同的材質會影響工業造型模塊分割、工藝實現方法及制造成本等。復合材料外殼設計時需要考慮模具開發、與鋁車體的連接方式、抗沖擊能力、分縫對車頭造型的影響等，造型越復雜，分縫位置越不好確定，模型成本越高，與車體的連接方式也會影響其抗沖擊能力。擋風玻璃需考慮是單曲面還是雙曲面，加熱方式是電阻絲加熱還是鍍膜加熱，這都涉及生產成本和可靠性，因此需按照UIC 651：2002或者TB/T 1451-2017《機車、動車組前窗玻璃》的要求進行射彈試驗。圖4為某高速動車組頭型復合材料外殼示意圖，圖5為單曲面夾層電阻絲加熱玻璃示意圖。

2.2.5 仿真分析及試驗

高速動車組頭型設計方案確認需要經過以下階段：①頭型工業設計階段，根據技術要求設計出多種造型方案;②分析及試驗階段，頭型工業設計方案需要經過多次反復的空氣動力學性能分析及試驗優化;③結合模型及實車試制定型。圖6為某高速動車組仿真分析及試驗過程圖。仿真分析具有計算周期短、研發費用低等優勢，是高速列車造型概念設計方案初步評估的主要方法。風洞模型試驗及動模型試驗是對列車造型及空氣流動進行測試必不可少的手段，所得的試驗數據可為改善列車氣動性能提供重要依據。在線實車試驗可反映列車周圍的真實空氣流動情況，雖耗時耗力，存在一定的技術難點，但它是列車試運營前校正模擬試驗數據、獲取實際數據的重要過程。

2.2.6 施工設計、樣車制造及再優化

在列車頭型方案確定后進行施工設計。列車頭型施工設計涉及車頭結構、整體結構強度、材料性能、制造與加工工藝、質量要求及成本控制等多個方面，這不僅要實現流線化的造型，滿足氣動性能的要求，做到便于車體結構承載傳力，還要考慮與其他部件的協調及減小自身質量等。整個施工過程是包括結構方案設計、工藝方案設計、模型車制造、樣車制造及再優化設計的復雜系統工程。

3 結語

根據以往高速動車組的設計、分析及試驗經驗，本文給出了不同速度等級下高速動車組車頭的設計長度區間及3輛車編組的氣動系數，并從工業造型設計、空氣動力學仿真分析、模型試驗等方面闡述了動車組車頭的設計方法及過程，真正體現了高速動車組頭型設計的選型技術。開發不同速度等級的系列化頭型，使其具有良好的空氣動力學性能，并進行結構的模塊化及再優化設計是高速動車組研發的重中之重。

參考文獻

[1]田紅旗. 中國高速軌道交通空氣動力學研究進展及發展思考[J].中國工程科學，2015（4）：30-41.

[2]李芳，康洪軍，董石羽，等.高速列車頭型設計方法研究[J].機械設計，2016，33（8）：122-124.

[3]杜俊濤，田愛琴，聶雙雙，等. 高速列車阻力、升力與頭部外形參數映射關系研究[J].鐵道科學與工程學報，2016，13（6）：1017-1024.

[4]閆永蠶，湯洲，高楠，等.基于空氣動力學的高速列車造型設計研究進展[J].機械設計，2017，34（6）：105-112.

[5]UIC 651：2002 ?Layout of driver's cabs in locomotives， railcars， multiple unit trains and driving trailers[S].2002.

[6]GB 10000-1988 中國成年人人體尺寸[S].北京：中國標準出版社，1988.

[7]EN 45545 ： 2013 機車材料的防火保護[S]. 2013.

[8]TB/T 3091-2008 鐵路機車司機職業健康檢查規范[S]. 北京：中國鐵道出版社，2008.

[9]TB/T 1451-2017 機車、動車組前窗玻璃[S].北京：中國鐵道出版社，2017.

[10] 田紅旗，姚松，姚曙光. 列車交匯壓力波對車體和側窗的影響[J].中國鐵道科學，2000，21（4）：6-12.

[11] 陳大偉，姚拴寶，劉韶慶，等.高速列車頭型氣動反設計方法[J].浙江大學學報（工學版），2016，50（4）：631-640，782.

[12] 陸冀寧，徐伯初，丁磊. ?3種不同的高速列車頭車造型仿生設計[J].包裝工程，2017，38（2）：26-30.

[13] 劉鳳華. 高速列車減阻技術試驗研究[J].現代城市軌道交通，2019（5）：35-38.

[14] 徐伯初，張榆，李洋.我國傳統鐵路客車造型設計特點分析[J].機械設計，2013，30（4）：103-105.

[15] 李明，李國清，邵蓉. 基于人機工程學的高速動車組新頭型優化設計[J].大連交通大學學報，2013，34（5）：50-53.

[16] 支錦亦， 徐伯初.“形神兼備”——高速列車外觀設計的文化內涵例[J].創意與設計，2014（3）：88-92.

[17] 張曙輝，楊志剛，陳羽. 針對高速列車頭車外形設計的風洞側風試驗模型選取方法[J].佳木斯大學學報，2014，32（4） ：481-486.

[18] 占俊. 高速列車通過隧道氣動效應仿真分析[J].現代城市軌道交通，2019（6）：87-92.

[19] 黃志祥，陳立，蔣科林. 高速列車空氣動力學特性的風洞試驗研究[J].鐵道車輛，2011，49（12）：1-5 .

[20] 姚拴寶，郭迪龍，楊國偉，等.高速列車氣動阻力分布特性研究[J].鐵道學報，2012，34（7）：18-23.

[21] 張在中，周丹.不同頭部外形高速列車氣動性能風洞試驗研究[J].中南大學學報（自然科學版），2013，44（6）：2603-2608.

[22] 于淼，石俊杰，耿亞彬.列車氣動阻力風洞試驗研究[J].鐵道機車車輛，2017，37（2）：50-52，71.

[23] 李明，劉楠，王大海. 500 km/h高速列車新頭型設計及氣動性能研究[J].機械工程學報，2019（18）：142-149.

[24] 張亮. 高速列車氣動外形優化設計研究[D].四川成都：西南交通大學，2017.

收稿日期 2020-01-15

責任編輯 黨選麗