优文共赏 | 罗建平：《磁悬浮列车造型仿生设计研究》
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2024-06-27 08:03
河北
Bionic Design of Maglev Train Model以仿生设计的理论为基础来指导磁悬浮列车造型设计，以期为列车车型概念提供灵感，提高列车造型品质，并满足车体气动性能的基本要求。首先，通过文献研究归纳了国内外以磁悬浮列车为主的轨道列车造型仿生的研究动向；其次，通过案例研究解析典型仿生设计系列车型案例，探究列车仿生对象的应用形式；再次，综合仿生设计与轨道列车设计的方法要素，构建磁悬浮列车仿生设计的一般程序，并基于车体线性趋势的仿生规律，以平鳍旗鱼为仿生对象，设计具有仿生特征的磁悬浮列车概念性设计造型方案；最后，通过初步的仿真模拟，得到该方案的空气阻力系数。通过将本方案与相关案例数据的对比，证明运用仿生设计可以满足磁悬浮列车造型对美学价值和气动性能的要求。磁悬浮列车；仿生设计；造型设计；概念性设计
由于磁悬浮列车的轨道与车体相离，减少了其与轨道间摩擦力等因素所带来的能量损耗[1] ，相较于高速列车，它不仅有更高的速度潜力，而且将可持续和人性化的设计理念提升到了新的高度。当今磁悬浮列车在技术层面日渐成熟，为了进一步提高列车性能，提升列车形象，从系统层面上实现磁悬浮领域的进步，造型设计将在其中扮演重要角色[2] 。仿生设计不仅可以将自然之美融入产品造型设计中，而且为产品功能的提升带来启示[3] 。因此，不少轨道交通领域机构和学者以自然为灵感，通过汲取自然生物的特征进行列车造型设计实践，有部分研究利用CFD软件对所得造型的气动性能做了进一步验证。此外，还有学者总结分析了磁悬浮列车等轨道车辆的国内外仿生设计案例，并总结了对我国相关设计的启示。然而，当前我国磁悬浮列车的造型设计风格多样，形态各异，缺乏整体的识别性和视觉的统一性，与日本等国家的系列化车型相比仍有较大欠缺。通过仿生设计，可以发掘设计灵感，汲取自然元素以创造新一代车型，并且有助于提高磁悬浮列车的气动性能，这对提高我国磁悬浮列车的设计水平和市场竞争力具有重要意义。 为了研究磁悬浮列车等轨道车辆仿生设计的应用形式，有学者从形式的角度出发进行探讨。例如，肖江浩等[4] 以美学视角的理论为基础，分析了磁悬浮列车造型如何体现仿生之美，并指出运用仿生设计既可以突出磁悬浮列车所属的地域特色，也能满足其对于空气动力学的要求；陆冀宁等[5] 提出以功能为主、生物形式美感、象征语义等三种不同的高速列车仿生耦合形式，并分别选取鹰、叶海龙和火背鹇为对象进行高速列车造型设计，其结果证明了通过这三种形式可以加快列车设计速度，并提高设计质量。
为了验证磁悬浮列车应用仿生设计的有效性，很多研究是通过选择某一自然生物作为仿生对象来进行列车造型设计实践。例如，张烈[6]为了解决如今中国大城市之间的远距离快速客运的问题，选取虎鲸为仿生对象设计了“飞跃号”时速 600 km/h 概念磁悬浮列车。潘剑等[7]从提升列车的速度、环保性及舒适度出发，通过模仿眼镜蛇的爬行姿态，设计了一种造型新颖，富有科技感的高速磁悬浮列车。杨柳[8]以信天翁贴近水面时的悬浮现象为灵感，提取了信天翁鸟嘴的特征，设计了一种气动悬浮列车的造型，但该方案在后续的设计阶段中被淘汰，并未进行气动性能的评估。有学者在设计方案的基础上，通过软件仿真模拟列车在真实条件下的行驶情况，进一步验证了其合理性。例如，周连超等[9]以中国特有生物大鲵娃娃鱼为仿生对象，抽象其形态特征进行高速列车造型设计，得出较为优越的空气阻力系数。李响[10] 为了分析如何在高速列车造型设计中合理地应用仿生设计，举例通过仿生娃娃鱼的前脸线型，使列车造型简洁流畅，且蕴含文化精神。陆冀宁[11]以凶猛的大白鲨意象为元素设计了列车外观，该方案特征形象令人印象深刻，但在车头凹面处形成较明显负压，牺牲了一定的气动性能。齐文溥[12]通过提取中华鲟的特征来设计时速为 350 km/h 高速列车外观，并计算了其风阻系数。张传英[13]从工程仿生学的角度出发，以蜂鸟、海豚和大白鲨等三个速度较快的动物为对象，设计了三种仿生列车头型，并分别与CRH动车组列车的气动性能进行比较，结果显示，除大白鲨外其余车型均优于CRH型，证明了仿生设计的有效性。Lini等[14] 以日本新干线的仿生设计方法为动机，以翠鸟为仿生灵感设计并优化了HST的概念车头造型，并通过CFD测试车头进入隧道条件下的相关数据，证明改善了其气动性能。Wu 等[15] 根据仿生学原理，选取鳄鱼为仿生对象，提取并优化鳄鱼头部的几何特征线设计了高速列车头部概念造型，并通过CFD软件验证，相比钝体造型车头的风阻系数降低了7.7%，证明其具备良好的气动性能。Hu等[16] 选取蜂鸟为仿生原型，提取特征建立仿真列车模型，并采用有限体积法对仿生高速列车的气动性能和气动噪声进行数值模拟和分析，证明了仿生设计的列车车头优于原车。除了对生物形态特征的仿生外，还有对生物表面机理的质感仿生研究。例如，汪久根等[17] 通过仿生鲨鱼由盾鳞结构组成的菱形体表，设计了一种应用于列车车型气固界面的菱形织构，并建立了噪声分析模型，分析得出其对降低高速列车摩擦噪声产生了积极影响。 当前国内外不乏以仿生设计为基础的轨道交通工具案例，这些案例以生物形态为灵感来改善车体性能和美学特征。易琼等[18]介绍了马来西亚动车组以马来虎的面部特征为灵感的仿生设计，极具马来西亚地域特色，除此之外文中还列举了如根据鸟类飞行原理设计的台湾700T型高速列车、以上海市花白玉兰为仿生对象的地铁涂装等案例。Karlson 等[19]介绍了日本新干线500系以翠鸟鸟喙的流线型特征进行仿生设计的案例，并实践证明比原设计车速提升了10%，电力消耗降低了15%，且噪音水平显著下降；王玮[20]介绍并分析了韩国 HEMU-430X 列车的造型与涂装设计，该车型从形态、构造和色彩三个层面融入鲨鱼特征，在提高了其识别性的同时，成功使该系列车型的时速突破400 km/h。此外，也不乏针对中国高速列车仿生研究的案例。例如，陈为[21]以受鲸鱼形态启发设计的CRH3 动车组机车的头型为例，阐明了仿生设计在产品形态中的应用。张瑞佛等[22]从速度、环境和美学三个因素分析了德国和日本的磁悬浮列车造型演化历程，但由于未分析其造型特征的设计来源，文中并未深入剖析与仿生设计的联系。Wang等[23]举例分析了中国“复兴号”高速列车 CR400AF 和 CR400BF 车型，分别采用了龙、凤等中国传统神话中存在的生物为造型元素，这对提升该车型在国人心中的文化认同感与接受度起到了很大作用。 仿生设计是仿生学与设计学在交叉渗透中形成的一门新兴的边缘学科[24] ，与传统的侧重于将生物自然进化中的优异性能移植到科学技术中不同，仿生设计是在其基础上，模仿生物的形态与功能并将其精准应用于产品造型中。在产品设计中，主要包含五个层面：色彩、质感、结构、形态、构造等[25] 。仿生设计是设计艺术与仿生学的应用型结合，其目的是运用创造性的艺术手法，提取自然界的特征元素，再通过一定的形态与色彩变化，赋予产品以优越的功能和艺术表现力。 德国著名工业设计大师科拉尼曾说：“设计的基础应来自诞生于大自然的生命所呈现的真理之中”[26] 。轨道交通领域在设计时考虑的因素与这种师承自然的设计理念不谋而合，为了在视觉上与自然保持一致，同时促进人类与自然环境之间的可持续发展，很多知名的交通工具的造型设计灵感来自于自然，例如大众旗下的标志性产品Volkswagen Beetle汽车的设计灵感就是源于甲壳虫这一昆虫，它凭借其圆润灵巧的造型语言，使其在风阻方面有优秀的表现，燃油效率也得到了提升，因此深受人们的喜爱。 早在1997年，西日本铁路公司以翠鸟的鸟喙为来源，设计并制造出了新干线 500 系列车[27] 。在设计初期，日本工程师中津英二为了减少列车通过隧道时产生的空气阻力与噪声，以翠鸟为灵感，提取侧面轮廓、鸟喙缝隙处边缘线及眼部骨骼的凸面等特征进行了简化与抽象，并在此基础上对特征线的曲率进行调整，将其应用于500系车型中并起到了良好的效果，见图1。在后续的新干线车型中，尽管没有直接使用翠鸟特征或是选择其他生物为仿生对象进行造型优化和设计，但仍然延续了通过优化车身曲线来减少阻力、噪声，以提高乘客舒适度的设计理念，这一理念也体现在了磁悬浮列车造型的开发设计中，为日本车型的创新与车身性能的提升给予了源源不断的动力。例如，L0系磁悬浮列车车头采用圆锥形状设计，优化了头部外形曲线与倾斜角度，使车身的稳定性得到了提高。
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德国代表车型TR（Transrapid）系列磁悬浮列车的造型演化与日本的新干线有很大不同，见图2，该车造型在设计初期并未采用仿生原理，最早的TR01试验车仅是将车体的内部结构以最简单的技术和材料包裹起来，工艺粗糙，造型朴素，但其车头整体呈现倾斜的“V”字形，说明在设计时考虑到了空气阻力的因素；在此基础上，TR02的造型风格与TR01相比有所不同，车身采用了圆弧形设计，减阻效果得到了提升，造型整体感也更强；TR05改变了前几代车型愈发趋于弧形的设计，对车身截面的倒角进行了规范，造型更加方正，并对车体进行了加宽，使车身的稳定性得到了提升；TR06为该系列第一辆具有完整车身结构的原型车，它延续了TR05注重舒适性与美观性的特点，在车头部位使用了简单的楔形设计，底部弧面向上倾斜，以减少车头前缘的空气阻力，降低交汇压力波对车体的影响；TR07与TR08的头部曲线愈发简洁流畅，造型更具科技感与时代感；在此之后，为了进一步优化车体气动性能，TR09 型号磁悬浮列车受座头鲸的流线型形态启发，在沿用原车扁宽型车头为特征的基础上，融入有机弧面的设计，使曲面转承更加自然，造型更加符合流线型特征，这种利用仿生的优化手段使列车造型的整体性得到了完善，在减少了空气阻力与噪声的同时，也满足了磁悬浮技术更迭及车身结构变化对列车造型的新要求[28] 。 设计的本质是复杂问题的求解过程，在解决列车造型设计这一问题的进程中，涉及自动控制、电气技术、电子技术、机械制造等[29] 工学及设计学等多学科的交叉，这势必会出现学科之间的认知鸿沟，使设计过程充满复杂与不确定性[30] ；磁悬浮列车相比高速列车，不仅速度更快，其技术约束要求也更复杂，需要解决悬浮稳定性等问题，所以不能简单地引用高速列车的造型设计方法，而仿生设计也要根据不同的设计目的与出发点，运用不同的方法与步骤来进行[31] 。因此，需要进一步明确设计的程序与方法，综合考虑磁悬浮列车与仿生设计两种不同视角的特性来进行。此前，针对磁悬浮列车的造型设计方法研究较少，张烈[6] 提出了一种基于仿生原理的高速磁浮列车的概念设计方法。经笔者梳理，首先明确设计定位，包括风格意象、列车时速及相关技术约束；其次选择并提取速度型仿生对象的特征线条；最后进行产品化。笔者为在此基础进一步完善与深化设计流程，通过借鉴高速列车头型设计及仿生设计的方法要素，以建立较为完整的设计程序与方法。
列车头型设计分为设计准备、方案的设计及评估等[32] 三个阶段。在设计准备阶段，首先进行设计概念定位，明确磁悬浮列车相关领域的背景、标准和规定，深入了解磁悬浮领域的特性，例如相较传统的高速列车，磁悬浮列车速度更快，车头倾斜角度也更小，还有由于悬浮系统装置的影响导致车厢更高、车体更宽等；其次，选取合适的仿生对象，例如杨丽英[33] 等认为，要根据设计要求选取生物原型，因此需要对磁悬浮系统的相关技术界限与研究趋势进行分析以定位设计概念；最后，通过类比、联想和推理的方法，综合考虑自然生物的自然属性与功能属性来确定仿生对象。在方案设计阶段，要运用仿生设计的方法要素将上一阶段所制定的概念与生物特征运用某种方式进行耦合。首先要根据需要对仿生对象进行特征提取，将生物特征简化并抽象为点、线、面等；其次，以简化得出的点、线、面等特征为依据进行设计方案的发散，其中特征线是最能体现列车特点的造型要素，它可以应用于整车的轮廓、形体转折和部件分型等[34] ，例如，袁雪青等[35] 认为，通过侧面轮廓线表达生物特征最为直观；再次，通过大量的设计草图与方案的迭代，明确造型的大致特征，在迭代中不断筛选造型方案；最后在符合设计概念的方案中择优深化。在方案评估阶段，需从空气动力学与人机工程学的角度对所得方案的合理性进行评估，以排除不符合要求的方案，并对符合要求的方案进行迭代优化，最终确定设计方案。笔者根据以上观点总结磁悬浮列车的仿生设计程序，见图3。![]()
本研究阶段旨在通过仿生设计程序和方法，结合磁悬浮轨道领域技术要求，进行概念性造型设计。在技术层面上，笔者以我国自主研制的高温超导磁悬浮系统所采用的列车技术界限为参考，并运用仿生设计方法要素，将设计定位与生物特征耦合，进行概念性时速600 km/h磁悬浮列车造型设计。
许多物种的进化是以提高速度和消耗更少能量的方向发展，这种动物完美的身体结构可以更好地减少阻力，例如蜂鸟鸟喙的尖端聚焦成为细细的一点，这种结构不仅有利于吸取花蜜，而且在飞行时有助于减小风阻；再比如鲨鱼体表盾鳞上的脊状突起，构成了具有圆弧底的沟槽结构，这种结构也对减阻起到了很大作用，见图4。平鳍旗鱼又称东方旗鱼，它凭借随自然环境和规律不断演化出的流线型特征，使其成为短途游行速度最快的动物，且旗鱼相比鸟类细长的喙部轮廓线更加简洁、变化清晰，非常适合作为以减阻为目的的仿生对象，因此符合本设计的概念要求。
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旗鱼在长期与生存环境的对抗中头部愈加趋近于流线型，实现了被动进化，其上颌最前端汇聚成一点，形成了抵抗外来流体阻力的内力，这种内外力的制衡体现了生物千百年来的进化规律。此前，有学者利用旗鱼的减阻优势进行了一些仿生学相关的研究，例如，赵淑红等[36] 提取并拟合了旗鱼的流线型特征曲线，设计了一种开沟器。聂紫薇[37] 抽象应用了旗鱼特征曲线进行游艇的造型设计，使其更加简洁流畅和富有亲和力。本文通过对平鳍旗鱼的特征线进行分析，发挥其减阻优势，将这种自然环境塑造出的形态运用到磁悬浮列车的造型中。 在对旗鱼的特征提取时，笔者首先对旗鱼进行逆向三维建模，并将模型导入Rhino中进行特征分析，见图 5。总体而言，旗鱼的特征包括轮廓线与脊椎的侧图4 蜂鸟的鸟喙和鲨鱼的盾鳞面隆起形成的结构线，具体可描述为背鳍至头部间距及头部经腹部延伸至尾鳍为旗鱼的轮廓线两条曲线。将旗鱼以三维视角展开，其脊椎部位在侧面形成隆起，向前延伸经胸鳍至吻部结束，形成了流畅的双曲线特征；从整体观察所抽象的特征线，简洁流畅，有向后方延伸的趋势，总体呈现流线型，适合作为车身的主要特征线型；分区域观察曲线，处于头部的曲线分段，曲率变化更明显，适合作为列车头部可变区域的主要特征线；此外，在细节方面，例如旗鱼的眼睛与列车车灯的位置具有一定呼应性，可以用于后续深化设计中。![]()
首先，在草图推敲阶段（见图6），为了更清楚地了解旗鱼外形的成因，并较为精准地定位其主要特征线，笔者参考了旗鱼骨骼形态和大致分布，同时基于从Rhino 中得到的三条具有概括性的特征线为推敲依据，选取椭圆体作为推敲原型，椭圆体造型具有简洁的流线型特征，该造型作为列车头车设计时，相较其它形态的空气阻力最小[38] ；其次，依照特征线的整体趋势通过线性的变化进行列车造型的草图推敲，从中选择更加贴近设计概念的方案并深化；再次通过调整列车头部长度，尽可能增加整车的流线型比例，以满足空气动力学的需求[39] ，通过Rhino软件来进行列车三维形态的表现，以便更加直观地推敲曲面之间的转承关系，为后期的造型评估与细化做好充足的准备（见图6）；最后，经过白模方案的迭代与筛选，确定最终的造型设计方案（见图7）。![]()
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为了验证方案是否满足空气动力学要求，本文在后期的验证阶段使用Solidworks 软 件 中 的 Flowsimulation 插件对造型方案进行流体分析的初步测算。相比其他测算软件，通过该软件计算更加直观、便捷和快速，便于不同学科背景的设计人员进行交流，满足学科交叉性与严谨性的需要[40] ，具体仿真模拟验证过程如下。 首先将 Stp 格式的列车方案模型导入 Solidworks软件中，打开flow simulation插件，并依照向导完成列车运用环境的设置，其中将外界流体设置为空气，x轴方向正面风速设置为600 km/h（166.67 m/s），之后载入环境参数；其次，在编辑计算域时，尽管本软件中的流场计算区域没有边界限制，但为了模拟列车运行的真实环境，在模拟过程中为流场区域设置了具体大小，具体计算域参数设置为长600 m，宽60 m，高10 m；假设列车在静止状态下沿x轴方向来均匀风，插入全局目标，选择计算域中来风方向X的列车表面静压力选项（力x），并插入目标方程，风阻系数见式（1）。 式中：C为风阻系数；F为正面风阻力；ρ为空气密度（为 1.29 kg/m³）；S为列车横截面面积（为13.80 m²）；v为列车运行速度（为166.67 m/s）。![]()
通过分析流体轨迹图可以看出，气流经车头被引导至车身顶部与侧面，在车头前端表面遇到一定阻滞，即图中绿色曲线部分，见图9，流动轨迹线有较为明显的曲率变化，随着列车流线型曲率愈加平缓，气流的流动也更加顺畅；在切面图中，颜色由红色到蓝色的变化表示气流气压由大到小的变化，如图10~11所示，在车头位置颜色接近红色区域，表明该区域气流气压更加集中，而总体呈蓝绿色的车身区域则受压迫较小；经计算风阻系数C为0.115，参考姚拴宝等[41] 对时速600 km/s的三辆真实编组的磁悬浮列车外形仿真模拟阻力系数数据所在的区间，该造型方案阻力系数较前者更低，具备较好的气动性能，证明了平鳍旗鱼形态特征应用的合理性和有效性。![]()
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在造型设计方案结束后，需考虑设计概念定位中的结构与功能要求，结合人机等要素，合理布置各功能区域和模块，深化方案细节，以提高合理性，最终设计方案效果见图 12。总体而言，该方案综合了旗鱼形态、结构及色彩等三个不同层面的特征：运用旗鱼的形态特征线及脊椎隆起的结构线作为列车主要造型线，线条简洁流畅，整体趋势与方向统一，符合流线型特征；双曲线、渐消线的使用，在整体线型趋势中形成变化，既不与整体的速度感相冲突，又使整车造型体现出一种柔软、活泼、富有节奏韵律的视觉感受；线型整体趋势向下，给人一种稳重和安全感；整个头车流线型比例划分基本符合黄金分割原理，各分型线的倒角尺寸通过数理比例进行几何规范，给感性的曲线以一种理性的秩序美感[42] ；在不影响总体视觉特征的基础上增添了细节：例如，利用旗鱼鱼眼的特征与位置，设计了车灯等。以旗鱼腹部的银白色作为列车主体色彩，通过提取旗鱼体背的深紫色作为涂装对车身进行局部点缀装饰，使视觉层次既丰富又和谐。
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本文探讨了仿生造型设计的方法要素，并在此基础上结合磁悬浮领域特性建立了设计的一般程序，旨在为磁悬浮列车造型设计提出一种较为完整的思路，为车型在设计开发的概念阶段提供灵感；在设计实践中以平鳍旗鱼为仿生对象，综合形态、结构与色彩等三个层面的仿生手法，提取对象的形态特征与结构线，结合手绘草图、三维建模等推演方法，设计了时速 600 km/h的磁悬浮列车概念造型方案；通过计算机仿真气流模拟列车真实运行条件，初步计算了所得造型方案的风阻系数，并评价了方案的美学价值。结果验证了平鳍旗鱼作为磁悬浮列车仿生对象的合理性，进而推断出合理运用仿生设计能够在满足磁悬浮列车气动性能的前提下，提高造型的品质。
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