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拥有完美弧线的动车组怎么设计出来的?

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今日主角——动车组列车
每当看到拉轰的动车组从我们身边一穿而过都会情不自禁大发感慨 这车头太炫酷

速度太快了

今天就让我们的

“250公里城际动车组”主设计师

唐车工业设计中心主任 刘慧军

为我们权威解读

动车组的设计过程

CRH EMU Design

动车组工业设计

作者:“250公里城际动车组”主设计师

唐车工业设计中心主任 刘慧军

 

今天就让我们的“250公里城际动车组”主设计师 唐车工业设计中心主任 刘慧军

为我们权威解读动车组的设计过程 动车组工业设计

 

概念设计

高速列车,又称为动车组。它的工业设计,首先是确定整体造型的创意思路。这是从感性入手的一个过程,我们采用了仿生学的设计原理。

高速列车的整体造型应充分体现速度的特征,车头是最为关键的部分。我们通过收集自然界在速度方面具有优势的动物,挖掘其流体动力学方面的关键特征,进行抽象化,再将之提炼成车头造型的主体设计要素。

我们挑选了在速度方面具有优势的若干种动物,从中缩小范围在5种:海豚,鲨鱼,蛇,豹,鹰。这5种动物除了在动力学方面的造型特点不同之外,在对应“品格气质”方面也各不相同,海豚体现了智慧、亲和,鹰对应专注、精确,鲨鱼对应果断,蛇对应忍耐、冷静,豹对应着强悍。

我们做了10个概念设计方案,选出有代表性的5个方案,进行概念模型构建。

5个设计方案的数字模型出来后,只能在计算机上评估模型。现在公司引进3D打印机后,能直接打印比例模型,可以很方便地将模型带到公司高层的办公室或客户手中进行评估。

概念细化

将5个车头模型进行空气动力学模拟计算,以头车+中间车+中间车+头车进行编组。计算列车在正线运行状态、侧风状态下、过隧道状态下的空气动力学性能。并进行隧道压力波计算,列车交会压力波计算。

计算模型如下:

方案迎风侧表面压力云图

方案背风侧表面压力云图

找出其中对空气动力学影响较大的不利造型因素,对数字模型进行修正。例如模型中现代感较强的锋边造型容易引起车体表面的气体流动不顺畅,产生涡流阻力,增加了列车的运行阻力,于是把硬朗挺拔的锋边做了平滑柔化处理。修改后的模型如下图:

由于观念上认为造型的特征是创意的亮点,因而工业设计师对于空气动力学仿真工程师提出的意见开始时是有抵触情绪的。但是,作为工业设计师在创意的同时也要站在经济效益、节能环保的立场考虑问题。

由于工业设计师对流体力学的理解不够,在修正模型时往往修改不到位,造成多次修改。每修改一次,改后都要重新进行空气动力学性能比较评估。

制作风洞试验用的比例模型,进行风洞试验,选出空气动力学较优的两个方案。

最 后,在综合考虑整体的视觉效果并符合空气动力学后,确定了鲨鱼方案为最终方案。但鲨鱼的腮部造型不利于空气动力学和工艺造型。设计师觉得这个部位应该用造 型来体现,对于面的起伏和转折可以小一些,应该不会对空气动力学有大的影响,但建议未被采纳,于是改用了涂装设计来实现。

工程转化

在 空气动力学方案确定后,在工程化阶段碰到了问题,包容车钩及开闭机构的鼻锥前端设计无法收起开闭机构罩,这种状况下又需要重新局部修正模型。为了保证车头 的曲面连续性,再次进行了曲面的重新构建(如下图)。由于车头造型不同于以往普通的圆锥形鼻尖,考虑两列动车组联挂状态过曲线时,车钩有18度的摆角,开 闭罩收起后需让出车钩摆动空间。鼻锥曲面要适应易于收起,于是对曲面进行了再造修正。

在进入工程阶段时,碰到的问题就越来越多了。在进行司机室内部布局和造型设计时,先安排好车体骨架,布好驾驶台,定好驾驶员座椅后,发现在满足驾驶员观看高低信号与驾驶员距离观测窗的位置限定(500-1200毫米)之间有冲突,不能同时满足必备的两个条件:

按 照GB5914.1-2000设计要求,机车司机室瞭望条件应同时具备的两个条件是:其一,司机应能看见从车钩连接线算起前方10米处或10米以外的高柱 信号,高柱信号机应置于轨道中心右侧或左侧2.1米处,高度距轨面8.2米;其二,司机应能看见从车钩连接线算起前方15米以内的矮型信号,矮型信号机应 置于轨道中心右侧或左侧2.1米处,高度距轨面0.2米。

按照GB/T 6769-2000机车司机室布置规则,从司机眼睛到观察窗的距离应为500~1200mm,如下图。

为了满足驾驶员能够同时观看到高低信号的要求,最后的解决方案是,将风挡玻璃稍微凹进一点(如图)。

在设计车灯时,采用LED大面积光源,方案如图所示。

但 是,这样造成的工程困扰是,光线投射不够集中。进行光照分析发现,满足不了轨面照度要求的大面积光带(长1.3米,最宽处0.8米,最窄处0.4米)。主 要问题是,驾驶员能够看到部分光源,从而产生眩光。光带采用大面积的LED阵列也可以达到要求,但不便于调整(为了照射轨面和对准焦距)和维护(这么大数 量的LED阵列从概率上讲容易出现个别灭灯情况)。

在工程转化过程中,还有其它的问题,例如由于在工程设计细化阶段有所懈怠,结果造成检查门造型太大、太过方正,未跟随车头形态的流动,如下图检查门位置。

动车组的设计,从创意构想到工程实现,克服了很多困难。但同时,我们也收获了很多经验。

专访“250公里城际动车组”主设计师刘慧军

《设计通讯》:250公里城际动车组的工业设计包括哪些方面?

刘慧军:有 外观,有内饰,但是内饰设计被采用的不多。如果内饰全部采用我们的方案,就会对引进的德国设计改动很大。而我们的方案很难超越德国设计,他们的设计是经过 了十年的充分验证,而我们没有那么多的时间去做,因此在内饰设计上我们基本沿用了引进的设计。但是,在整体外观设计上,我们必须自己做,因为我们要做自己 的品牌。这款车的动力系统等主要方面是我们自主研发的。我们的外观造型设计是成功的,我们的车在降低风阻上比德国的车提高了很多,这是因为我们的线路运行 环境比他们的运行环境要好,我们的车在高度上比他们的矮一些。

《设计通讯》:在250公里城际动车组的造型设计过程中,设计师与工程师的不同职责是什么?

刘慧军:设计师的职责是要保持确定的创意感觉、形象特征保留下来。如果让工程师来设计的话,设计出来的形象可能会都一样。工程的特点是求唯一解,设计的特点是求多解。所以,作为设计师我们要保证多解的可能性。

比 如工程师会从空气动力学的角度要求把一些特征的东西抹平,而设计师会坚持保留特征的意见,这种情况下,就需要工程师和设计师彼此理解和尊重,在可能的范围 内达成一种平衡。其实,这也是一个相互学习的过程。比如动车设计的锋边处理,设计师就尊重工程师对空气动力学上的要求,把最初设计的立体造型的锋边做了抹 平处理,因为空气动力学证明,如果不做这样的处理,立体造型的锋边形成的侧风涡流会使列车在高速运行状态下有翻车的危险。再比如,最初设计的仿鲨鱼腮的造 型是有立体形状的,最后彻底取消了立体造型,改为涂装条纹图案处理,也是考虑到工程师提出的空气动力学的原因。

作为工业设计师,如果你就局限在造型方面的话,那你就是个造型师了。作为一个工业设计师,要学会换位思考,一个产品如果不安全不舒适,就是再好看也不行,在指标的优先率上,安全是摆在第一位的。

《设计通讯》:您认为设计师在创意时要同时考虑科学原理和工程实现的问题吗?

刘慧军:要考虑是一定的。但是,要先放开去想,不能一开始就去想工程实现、科学原理的问题,那可能很多东西就被抹杀掉了。在企业里面,有很多人工程师会去帮你收。在我们这里,有300多个工程师,我们设计师只有6个人。如果我们都不能放开,那产品的创意性就很小了。

《设计通讯》:请您就设计方法谈谈经验或体会。

刘慧军:我 们的方法是,以工科的方法把艺术融合进来。在我们这里,以前的方式就是画图画图画图,你画的就是即时灵感。但怎样把一个方案做多样化呈现呢?现在我们是用 理性的方法去做。对大形和特征的问题,我们用功能化的方法去分解。先把造型元素打散,再去找出他们的关联关系,哪些地方可以分解、哪些地方可以穿插、哪些 地方可以融合?然后根据不同的语义特征要求,比如跳跃的、弹性的、柔和的怎么考虑,再把这些元素组合出多种方案。这就是把“艺术”拆解了。

现在的产品设计过程中,经常会有评审,评审时就不是只有设计师了,会有领导和工程师,他们会问方案好在哪儿?过去没有计算机,说好就好。现在有计算机了,有眼动仪可以证明人们的关注点会在哪里,可以给出理性的依据。

《设计通讯》:这个动车组设计完后您有什么感受?

刘慧军:非 常深刻的感受是,就设计流程来说,从工业设计到工程实现,我们是边做边摸索,其中涉及到的东西太多,空气动力学的实验反复做,有时做完之后都有被否定。因 为牵扯的东西太多,事前制定流程时,有些东西你是想不到的。开始时觉得,设计完成了我们就可以告一段落,继续下一步了,其实没有,可能只是到了1/10。 在做风洞实验时,正风运行、侧风运行、两个车对开、隧道里面运行、隧道里面对开等等都要做。其实有很多要素是相互制约的,比如开始时觉得车头和车内是没有 关系的,其实是有关系的,这些在做完之后才认识到的。因为不满足,重来的事情是常有的。

我们在引进德国的技术时,设计原理他们是不告诉你的。所以,我们稍有改动,就要做很多实验。这个系统太庞大了,要把它做好,想不到的事情太多了,要做的工作太多了。

我感觉最大的收获是,我们获得了很多非常宝贵的经验,很多经验不做是不知道的。

 

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