高速列车外观设计的进展和发展趋势

曾耀东

摘 要：随着科学技术的不断发展和进步，我国高速列车成为一种高速度、高载能力的现代化轨道交通工具，其外观设计也成为高速列车整体设计的重点内容。为了在高速列车外观设计中把美观性和实用性进行有效的结合，本文针对高速列车外观设计的进展和未来发展趋势进行了分析和研讨，对高速列车外观设计中的造型、色彩、空气动力学、地域文化等多种因素的影响进行了研究分析，通过对我国高速列车外观设计的进展进行研究分析，对未来我国高速列车外观设计的发展趋势进行了展望，希望可以为我国高速列车外观设计的研究提供一些参考。

關键词：高速列车 外观设计 研究进展 未来 发展趋势

1 引言

在我国科学技术水平不断进步和发展的影响下，我国高铁发展受到了全世界的青睐，高速列车的外观设计（车头及车身造型设计与整车涂装设计两大部分）也在不断的完善和进步， 并且发生了巨大的改变。在新时代的今天，随着人们审美能力的变化，对高速列车外观设计的审美要求也在不断的提升，人们对高速列车的美感越来越重视，但是受到多种因素的影响，高速列车外观设计也各有不同。虽然现阶段，我国高速列车已经在世界范围内处于领先水平，但是仍然还有很大的发展空间。如何实现我国高速列车外观设计新的飞跃和质的变化成为很多研究者们重点研究的课题。而本文就以此为研究对象，对我国高速列车外观设计的进展和发展趋势进行了研讨。

2 现阶段我国高速列车外观设计的进展

2.1 空气动力学对车头设计的影响

空气动力学是力学的一个分支，其主要是指在空气以及其他气体的作用力下对气体中正在不断运动物体的受力情况、气体的流动规律、以及相关的物理化学变化等方面的研究，是在流体力学基础上融入了航空工业和喷气推进技术的一门学科。发展到上个世纪，空气动力学在环境保护、能源利用以及交通、运输、气象、建筑等方面都得到了广泛的应用，并在其发展过程中衍生出了工业空气动力学等学科分支。如今在我国高速列车外观设计的进程中，空气动力学也成了及其重要的参考依据。

对于高速列车，车头的造型设计非常重要，不光是颜值，更重要的是它内含着关键的核心技术，其中很高的科技含量在此就与空气动力学相关，因为对于运动中的高速列车周身都有各种气流环绕。这是一个主观因素必须最大程度满足客观因素的设计，其设计要从概念设计、仿真分析、模型试验、实车试验等不同阶段，不断循环优化而成，目的就是克服列车周身各种气流的困绕，使之平稳快速。它是集技术、文化、美学等诸要素于一体的、交叉的、多目标的、综合的、复杂的、超大规模的知识密集系统集成。而其外观流线型车头的长度设计会影响到列车在空气中的阻力，一般长度越长，阻力越小，空气动力学的性能越高。如果在高速列车的整体长度一定的情况下，车头的造型越是扁宽，空气阻力越小，越接近圆型，空气阻力就会越大。

随着我国高速列车技术的不断完善和长足发展，车头的外观设计随着列车的速度提升在不断的完善，从开始阶段的CRH380B型的7.7米增加到了CR400-BF型的10.38米，再到CRH380A的12米。车头外观设计也经过多次改良，现有椭圆型、扁宽型、钝型、楔型以及梭形等设计类型。我国现有几款仿生车头设计（如飞龙、金凤凰、雏鹰、骏马、小海豹、火箭、青铜剑等）就非常出色，是工业设计与空气动力学结合的完美体现和典范。

现代高速列车的成功设计是技术与艺术完美结合的产物，体现了技术美与功能美的巧妙融合，方圆和凸凹的结构、转折的流线、门窗的大小与位置、车灯的大小与布置等等在比例、尺寸、细节诸方面看似平常的形式美，其实内含一种变化、协调、统一的秩序之美，简单之中包含了高度的科技文化内涵。

目前，德、法、日、加、英、意、西等国设计水平还是具有一定的相对优势，很值得我们学习和借鉴。基于安全的技术性能之后，如何把握列车功能和造型的完美结合，如何度量设计中的比例尺度、对比协调、节奏韵律等是今后设计过程中值得研究的课题，这是中国的现实及文化之需求，也是世界之需求。力争把中国列车系列设计从地域化发展到国际化，成为引领时代的骄者，彰显中国科技文化强国的形象窗口。寻找差异，超越自己，超越世界！

2.2 影响高速列车外观设计的因素

首先，车体的断面形状会影响到高速列车外观的设计。

一般车体的断面形状会对列车外观的气动升力、表面的压力、两辆列车交会时的压力波、以及横向气动性能产生影响。如下图1车体断面图中所示，如果当R2在一定的范围内进行变化，那么对横向力的影响不会太大;如果R1增大，那么横向力、倾覆力矩以及升力都会出现减小的情况;而H对横向力的影响并不大，但是在H增加，负升力会降低，倾覆力矩就会增加，所以，H不能太高。R3对横向力造成的影响并不大。α和β会对横向力、倾覆力矩以及升力产生一定的影响，所以，在进行高速列车外观断面设计的时候，需要以鼓形断面为主，并根据列车速度等级的变化和不同风阻系数情况来对断面进行不断的调整和完善，让其更加接近于鼓形断面。

其次，列车的长细比会对外观设计产生影响。

长细比主要是指车头的长度和横断面之间的比，不同速度等级列车的定位对长细比的要求也各不相同，列车车头长细比值越大，整个列车的阻力就越小，列车交会时候的压力波也会越小。所以，列车车头设计的过程中需要根据车辆的运行线路、桥梁和隧道要求情况、以及运行的速度情况等来对车头的长细比进行明确。在列车车速不断提高的情况下，列车的车头造型也在逐渐从原来的短粗型向着扁长型发展;但是，也并不是说车头的长细比越大越好，在长细比高于临界值很多的时候，并不会对车头的气动阻力产生影响，而车尾气动阻力就会随着长细比的增加而减小。

另外，鼻锥对列车外观设计的影响。

高速列车外观设计的关键影响因素是列车前端部分的开闭机构的鼻锥，鼻锥的造型设计会影响到整个列车空气动力的大小;另外也会受到列车车钩伸缩、开闭机构以及上下左右摆动幅度等因素的影响。对于鼻锥的影响，鼻锥越尖，前段的截面面积的变化率就越小，这样就会增加列车在进入隧道口时的微气压波;同时，鼻锥越尖，前段压力梯度就会越小，这样就会造成后段压力梯度的增加，在两车交会的时候就会产生不良的影响;在鼻锥比较尖的情况下，说明鼻锥前端的迎风面比较小，就会减少气动的阻力;在鼻锥和其下端的排障器起引流共同作用的影响下，会对气动升力进行补偿。

此外，驾驶室的倾角会对列车外观设计产生影响。

如果驾驶室的倾角是呈现出圆滑过渡的，那么就可以减少列车在运行过程中气流对车体的影响。而在驾驶室倾角进行设计的时候需要重点考虑驾驶人员的视野变化，同时还要满足于驾驶空间的要求和相关的行业标准。在对驾驶室中四季视野、操作台、仪表布置、头等等各项设备空间校正之后，满足列车驾驶室的需求之后，才可以对驾驶室的倾角进行设计，并且还需要根据驾驶人员净空间和操作性、舒适性进行再一次的核对和校正。

2.3 高速列車外观设计中涂装色彩的应用

在高速列车的外观设计中，其主要的涂装就是色彩。色彩作为非语言的信息传递方式，具有独特记忆的视觉传达效果，而每一种色彩都有其独特的感官语言，给人以不同的心理感受，运用适当能起到事半功倍的效果。一般情况在进行列车外观设计的过程中，三维造型是体现设计思维的重要方式，而色彩的装饰性也是非常重要的，怎样把三维造型和色彩进行有效的结合，也是高速列车外观设计的重要内容。同时也要注意到列车外观色彩设计时，不管是线条、色块还是具象的、抽象的图案在静态或者缓慢移动时视觉传达是清晰直观的，而移动时是模糊的条带状，这种色彩上的视觉效果要特别注意，前者应该是重点考虑的问题。

色彩的运用首先要考虑本民族文化特色和审美趣味（出口列车产品更应该尊重地域文化特色），其次是人文环境，再者是自然环境。满足列车整体给乘客、公众的感官刺激以及心理感受。力争把科技感、速度感、安全感、美学感的设计原则成熟地运用到列车涂装设计之中，打造具有民族特点和审美趣味的涂装设计。

现在国际的高速列车外观设计中，德、法、日、韩等国部分色彩较鲜明、大胆，个性较突出;而我国现在在设计上个性不足，体系化不明显，应该大胆运用中国元素，彰显中国文化特色。如儒家文化、道家文化等等都大可一试，可尝试单体车饰整体化（内外），一种或多种车型做整体车系或局部车系车饰系统化涂装。只有民族性的设计才具有世界性，总之要打造具有中国特色的国际列车品牌文化。

外观色彩的应用不仅可以体现造型的独特性，同时还可以体现民族文化和现代工业设计的有效融合。

当然，内饰设计也很重要，因为乘客是身置其中，直观上享受精神和物质层面的感觉。我国现有车内涂装软硬件档次有待提升，内饰色彩上、个性差异化上、文化特色上不明显，同时座椅、行李架、灯光等等的舒适度、使用上还有待改善，音乐、可视媒体、装饰物等等营造文化氛围的功能（单一性和整体性）有待加强。以人为本，努力创造舒适、亲切、愉悦的列车家园。

高速列车涂装设计是一个全新的现代感性设计，承载着深厚的民族文化内涵和更高的审美情趣。所以，在高速列车外观设计的过程中，合理利用涂装设计的巧妙变化，可以让我国高速列车很好的体现我国独特的民族精神和文化内涵。

3 高速列车外观设计未来发展趋势

3.1 信息化技术对高速列车外观设计的影响

随着我国信息化技术水平的不断发展，物联网技术、移动互联网技术和大数据技术开始被广泛的应用在各个领域和行业中，而工业互联网在制造行业中的应用水平不断完善和发展，数据的传输、搜集以及大数据技术在生产制造行业中的应用已经得到普及，让传统生产制造行业实现了颠覆性的重构。在这样的情况下，我国高速列车外观设计也将面对新的挑战，信息化技术的应用让外观设计过程中的数据研究分析更加精确，为外观设计提供了更加精准的保障。

3.2 虚拟现实技术对高速列车外观设计的影响

在高速列车外观设计的过程中，通过虚拟现实技术可以对高速列车的外观设计进行模拟试验，通过对列车装配、拆卸、外观、内饰等多方面的模拟来更好的对其设计进行分析和试验检测，寻找出更加合适的设计数据，从而提高外观设计的准确性、美观性和实用性。

3.3 未来科学技术对高速列车外观设计的影响

未来科技的创新和高度发达，让世界变化日新月异，高速列车的外观设计也是一样，可能会超乎人们的想象。如新型动力、超级材料、超智能技术、超级工艺、超级仿生学等等的变化发展，都可能影响其设计——车头及整体车身的造型、驾驶室的空间设计、人机界面系统、显示系统、车内整体设计以及桌椅造型等个体的细化等等，到那时完全是一种造型新颖、高速快捷、舒适安全、节能环保、大客流、全天候的新型运输载体。

4 结语

在我国高速列车外观设计的过程中，会受到多种因素的影响，如空气动力学、人机工程学、美学、地域文化等等，另外还需要对列车外观设计的前瞻性和未来发展趋势进行多重的考虑，设计出具有中国符号的功能美与形式美有机结合的品牌文化列车，只有这样才可以推动我国高速列车的快速发展，让我国高速列车在世界高速列车中占据一定的优势和地位，从而塑造出领先的、标准化的国际品牌和适应新时代的全新技术列车，领跑世界。

参考文献：

[1]张力丹.高速列车外观设计研究综述[J].科技创新与应用，2020（25）：94-95.

[2]何思俊，支锦亦，徐笑非，王金，闫磊，徐刚.城市轨道列车外观设计中的文化传递与构建[J].包装工程，2020，41（02）：142-147.

[3]刘颖，吴婧榕，刘鑫.设计几何学在高速列车外观设计中的应用研究[J].装饰，2019（11）：126-127.

[4]李响.国际化背景下我国高速列车造型设计分析[J].科技资讯，2019，17（05）：65+67.

[5]闫永蚕，汤洲，高楠，王超.基于空气动力学的高速列车造型设计研究进展[J].机械设计，2017，34（06）：105-112.