羅建平，徐秀東

湖南大學(xué)設(shè)計藝術(shù)學(xué)院，長沙41000

由于磁懸浮列車的軌道與車體相離，減少了其與軌道間摩擦力等因素所帶來的能量損耗[1]，相較于高速列車，它不僅有更高的速度潛力，而且將可持續(xù)和人性化的設(shè)計理念提升到了新的高度。當(dāng)今磁懸浮列車在技術(shù)層面日漸成熟，為了進(jìn)一步提高列車性能，提升列車形象，從系統(tǒng)層面上實現(xiàn)磁懸浮領(lǐng)域的進(jìn)步，造型設(shè)計將在其中扮演重要角色[2]。仿生設(shè)計不僅可以將自然之美融入產(chǎn)品造型設(shè)計中，而且為產(chǎn)品功能的提升帶來啟示[3]。因此，不少軌道交通領(lǐng)域機(jī)構(gòu)和學(xué)者以自然為靈感，通過汲取自然生物的特征進(jìn)行列車造型設(shè)計實踐，有部分研究利用CFD軟件對所得造型的氣動性能做了進(jìn)一步驗證。此外，還有學(xué)者總結(jié)分析了磁懸浮列車等軌道車輛的國內(nèi)外仿生設(shè)計案例，并總結(jié)了對我國相關(guān)設(shè)計的啟示。然而，當(dāng)前我國磁懸浮列車的造型設(shè)計風(fēng)格多樣，形態(tài)各異，缺乏整體的識別性和視覺的統(tǒng)一性，與日本等國家的系列化車型相比仍有較大欠缺。通過仿生設(shè)計，可以發(fā)掘設(shè)計靈感，汲取自然元素以創(chuàng)造新一代車型，并且有助于提高磁懸浮列車的氣動性能，這對提高我國磁懸浮列車的設(shè)計水平和市場競爭力具有重要意義。

一、磁懸浮列車仿生設(shè)計綜述

（一）磁懸浮列車及其他軌道車輛的仿生設(shè)計應(yīng)用

為了研究磁懸浮列車等軌道車輛仿生設(shè)計的應(yīng)用形式，有學(xué)者從形式的角度出發(fā)進(jìn)行探討。例如，肖江浩等[4]以美學(xué)視角的理論為基礎(chǔ)，分析了磁懸浮列車造型如何體現(xiàn)仿生之美，并指出運(yùn)用仿生設(shè)計既可以突出磁懸浮列車所屬的地域特色，也能滿足其對于空氣動力學(xué)的要求；陸冀寧等[5]提出以功能為主、生物形式美感、象征語義等三種不同的高速列車仿生耦合形式，并分別選取鷹、葉海龍和火背鷴為對象進(jìn)行高速列車造型設(shè)計，其結(jié)果證明了通過這三種形式可以加快列車設(shè)計速度，并提高設(shè)計質(zhì)量。

為了驗證磁懸浮列車應(yīng)用仿生設(shè)計的有效性，很多研究是通過選擇某一自然生物作為仿生對象來進(jìn)行列車造型設(shè)計實踐。例如，張烈[6]為了解決如今中國大城市之間的遠(yuǎn)距離快速客運(yùn)的問題，選取虎鯨為仿生對象設(shè)計了“飛躍號”時速600 km/h 概念磁懸浮列車。潘劍等[7]從提升列車的速度、環(huán)保性及舒適度出發(fā)，通過模仿眼鏡蛇的爬行姿態(tài)，設(shè)計了一種造型新穎，富有科技感的高速磁懸浮列車。楊柳[8]以信天翁貼近水面時的懸浮現(xiàn)象為靈感，提取了信天翁鳥嘴的特征，設(shè)計了一種氣動懸浮列車的造型，但該方案在后續(xù)的設(shè)計階段中被淘汰，并未進(jìn)行氣動性能的評估。有學(xué)者在設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，通過軟件仿真模擬列車在真實條件下的行駛情況，進(jìn)一步驗證了其合理性。例如，周連超等[9]以中國特有生物大鯢娃娃魚為仿生對象，抽象其形態(tài)特征進(jìn)行高速列車造型設(shè)計，得出較為優(yōu)越的空氣阻力系數(shù)。李響[10]為了分析如何在高速列車造型設(shè)計中合理地應(yīng)用仿生設(shè)計，舉例通過仿生娃娃魚的前臉線型，使列車造型簡潔流暢，且蘊(yùn)含文化精神。陸冀寧[11]以兇猛的大白鯊意象為元素設(shè)計了列車外觀，該方案特征形象令人印象深刻，但在車頭凹面處形成較明顯負(fù)壓，犧牲了一定的氣動性能。齊文溥[12]通過提取中華鱘的特征來設(shè)計時速為350 km/h 高速列車外觀，并計算了其風(fēng)阻系數(shù)。張傳英[13]從工程仿生學(xué)的角度出發(fā)，以蜂鳥、海豚和大白鯊等三個速度較快的動物為對象，設(shè)計了三種仿生列車頭型，并分別與CRH 動車組列車的氣動性能進(jìn)行比較，結(jié)果顯示，除大白鯊?fù)馄溆嘬囆途鶅?yōu)于CRH型，證明了仿生設(shè)計的有效性。Lini等[14]以日本新干線的仿生設(shè)計方法為動機(jī)，以翠鳥為仿生靈感設(shè)計并優(yōu)化了HST的概念車頭造型，并通過CFD測試車頭進(jìn)入隧道條件下的相關(guān)數(shù)據(jù)，證明改善了其氣動性能。Wu 等[15]根據(jù)仿生學(xué)原理，選取鱷魚為仿生對象，提取并優(yōu)化鱷魚頭部的幾何特征線設(shè)計了高速列車頭部概念造型，并通過CFD軟件驗證，相比鈍體造型車頭的風(fēng)阻系數(shù)降低了7.7%，證明其具備良好的氣動性能。Hu 等[16]選取蜂鳥為仿生原型，提取特征建立仿真列車模型，并采用有限體積法對仿生高速列車的氣動性能和氣動噪聲進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，證明了仿生設(shè)計的列車車頭優(yōu)于原車。除了對生物形態(tài)特征的仿生外，還有對生物表面機(jī)理的質(zhì)感仿生研究。例如，汪久根等[17]通過仿生鯊魚由盾鱗結(jié)構(gòu)組成的菱形體表，設(shè)計了一種應(yīng)用于列車車型氣固界面的菱形織構(gòu)，并建立了噪聲分析模型，分析得出其對降低高速列車摩擦噪聲產(chǎn)生了積極影響。

（二）磁懸浮列車等軌道車輛造型仿生案例

當(dāng)前國內(nèi)外不乏以仿生設(shè)計為基礎(chǔ)的軌道交通工具案例，這些案例以生物形態(tài)為靈感來改善車體性能和美學(xué)特征。易瓊等[18]介紹了馬來西亞動車組以馬來虎的面部特征為靈感的仿生設(shè)計，極具馬來西亞地域特色，除此之外文中還列舉了如根據(jù)鳥類飛行原理設(shè)計的臺灣700T型高速列車、以上海市花白玉蘭為仿生對象的地鐵涂裝等案例。Karlson 等[19]介紹了日本新干線500系以翠鳥鳥喙的流線型特征進(jìn)行仿生設(shè)計的案例，并實踐證明比原設(shè)計車速提升了10%，電力消耗降低了15%，且噪音水平顯著下降；王瑋[20]介紹并分析了韓國HEMU-430X 列車的造型與涂裝設(shè)計，該車型從形態(tài)、構(gòu)造和色彩三個層面融入鯊魚特征，在提高了其識別性的同時，成功使該系列車型的時速突破400 km/h。此外，也不乏針對中國高速列車仿生研究的案例。例如，陳為[21]以受鯨魚形態(tài)啟發(fā)設(shè)計的CRH3 動車組機(jī)車的頭型為例，闡明了仿生設(shè)計在產(chǎn)品形態(tài)中的應(yīng)用。張瑞佛等[22]從速度、環(huán)境和美學(xué)三個因素分析了德國和日本的磁懸浮列車造型演化歷程，但由于未分析其造型特征的設(shè)計來源，文中并未深入剖析與仿生設(shè)計的聯(lián)系。Wang 等[23]舉例分析了中國“復(fù)興號”高速列車CR400AF 和CR400BF 車型，分別采用了龍、鳳等中國傳統(tǒng)神話中存在的生物為造型元素，這對提升該車型在國人心中的文化認(rèn)同感與接受度起到了很大作用。

二、仿生設(shè)計

仿生設(shè)計是仿生學(xué)與設(shè)計學(xué)在交叉滲透中形成的一門新興的邊緣學(xué)科[24]，與傳統(tǒng)的側(cè)重于將生物自然進(jìn)化中的優(yōu)異性能移植到科學(xué)技術(shù)中不同，仿生設(shè)計是在其基礎(chǔ)上，模仿生物的形態(tài)與功能并將其精準(zhǔn)應(yīng)用于產(chǎn)品造型中。在產(chǎn)品設(shè)計中，主要包含五個層面：色彩、質(zhì)感、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、構(gòu)造等[25]。仿生設(shè)計是設(shè)計藝術(shù)與仿生學(xué)的應(yīng)用型結(jié)合，其目的是運(yùn)用創(chuàng)造性的藝術(shù)手法，提取自然界的特征元素，再通過一定的形態(tài)與色彩變化，賦予產(chǎn)品以優(yōu)越的功能和藝術(shù)表現(xiàn)力。

德國著名工業(yè)設(shè)計大師科拉尼曾說：“設(shè)計的基礎(chǔ)應(yīng)來自誕生于大自然的生命所呈現(xiàn)的真理之中”[26]。軌道交通領(lǐng)域在設(shè)計時考慮的因素與這種師承自然的設(shè)計理念不謀而合，為了在視覺上與自然保持一致，同時促進(jìn)人類與自然環(huán)境之間的可持續(xù)發(fā)展，很多知名的交通工具的造型設(shè)計靈感來自于自然，例如大眾旗下的標(biāo)志性產(chǎn)品Volkswagen Beetle汽車的設(shè)計靈感就是源于甲殼蟲這一昆蟲，它憑借其圓潤靈巧的造型語言，使其在風(fēng)阻方面有優(yōu)秀的表現(xiàn)，燃油效率也得到了提升，因此深受人們的喜愛。

三、磁懸浮列車造型中仿生設(shè)計案例研究

（一）日本磁懸浮列車的仿生設(shè)計

早在1997年，西日本鐵路公司以翠鳥的鳥喙為來源，設(shè)計并制造出了新干線500 系列車[27]。在設(shè)計初期，日本工程師中津英二為了減少列車通過隧道時產(chǎn)生的空氣阻力與噪聲，以翠鳥為靈感，提取側(cè)面輪廓、鳥喙縫隙處邊緣線及眼部骨骼的凸面等特征進(jìn)行了簡化與抽象，并在此基礎(chǔ)上對特征線的曲率進(jìn)行調(diào)整，將其應(yīng)用于500 系車型中并起到了良好的效果，見圖1。在后續(xù)的新干線車型中，盡管沒有直接使用翠鳥特征或是選擇其他生物為仿生對象進(jìn)行造型優(yōu)化和設(shè)計，但仍然延續(xù)了通過優(yōu)化車身曲線來減少阻力、噪聲，以提高乘客舒適度的設(shè)計理念，這一理念也體現(xiàn)在了磁懸浮列車造型的開發(fā)設(shè)計中，為日本車型的創(chuàng)新與車身性能的提升給予了源源不斷的動力。例如，L0系磁懸浮列車車頭采用圓錐形狀設(shè)計，優(yōu)化了頭部外形曲線與傾斜角度，使車身的穩(wěn)定性得到了提高。

圖1 日本新干線500系仿生與部分車型特征示意

（二）德國TR磁懸浮列車對比分析

德國代表車型TR（Transrapid）系列磁懸浮列車的造型演化與日本的新干線有很大不同，見圖2，該車造型在設(shè)計初期并未采用仿生原理，最早的TR01試驗車僅是將車體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以最簡單的技術(shù)和材料包裹起來，工藝粗糙，造型樸素，但其車頭整體呈現(xiàn)傾斜的“V”字形，說明在設(shè)計時考慮到了空氣阻力的因素；在此基礎(chǔ)上，TR02的造型風(fēng)格與TR01相比有所不同，車身采用了圓弧形設(shè)計，減阻效果得到了提升，造型整體感也更強(qiáng)；TR05改變了前幾代車型愈發(fā)趨于弧形的設(shè)計，對車身截面的倒角進(jìn)行了規(guī)范，造型更加方正，并對車體進(jìn)行了加寬，使車身的穩(wěn)定性得到了提升；TR06為該系列第一輛具有完整車身結(jié)構(gòu)的原型車，它延續(xù)了TR05注重舒適性與美觀性的特點，在車頭部位使用了簡單的楔形設(shè)計，底部弧面向上傾斜，以減少車頭前緣的空氣阻力，降低交匯壓力波對車體的影響；TR07 與TR08 的頭部曲線愈發(fā)簡潔流暢，造型更具科技感與時代感；在此之后，為了進(jìn)一步優(yōu)化車體氣動性能，TR09 型號磁懸浮列車受座頭鯨的流線型形態(tài)啟發(fā)，在沿用原車扁寬型車頭為特征的基礎(chǔ)上，融入有機(jī)弧面的設(shè)計，使曲面轉(zhuǎn)承更加自然，造型更加符合流線型特征，這種利用仿生的優(yōu)化手段使列車造型的整體性得到了完善，在減少了空氣阻力與噪聲的同時，也滿足了磁懸浮技術(shù)更迭及車身結(jié)構(gòu)變化對列車造型的新要求[28]。

四、設(shè)計程序與方法

設(shè)計的本質(zhì)是復(fù)雜問題的求解過程，在解決列車造型設(shè)計這一問題的進(jìn)程中，涉及自動控制、電氣技術(shù)、電子技術(shù)、機(jī)械制造等[29]工學(xué)及設(shè)計學(xué)等多學(xué)科的交叉，這勢必會出現(xiàn)學(xué)科之間的認(rèn)知鴻溝，使設(shè)計過程充滿復(fù)雜與不確定性[30]；磁懸浮列車相比高速列車，不僅速度更快，其技術(shù)約束要求也更復(fù)雜，需要解決懸浮穩(wěn)定性等問題，所以不能簡單地引用高速列車的造型設(shè)計方法，而仿生設(shè)計也要根據(jù)不同的設(shè)計目的與出發(fā)點，運(yùn)用不同的方法與步驟來進(jìn)行[31]。因此，需要進(jìn)一步明確設(shè)計的程序與方法，綜合考慮磁懸浮列車與仿生設(shè)計兩種不同視角的特性來進(jìn)行。此前，針對磁懸浮列車的造型設(shè)計方法研究較少，張烈[6]提出了一種基于仿生原理的高速磁浮列車的概念設(shè)計方法。經(jīng)筆者梳理，首先明確設(shè)計定位，包括風(fēng)格意象、列車時速及相關(guān)技術(shù)約束；其次選擇并提取速度型仿生對象的特征線條；最后進(jìn)行產(chǎn)品化。筆者為在此基礎(chǔ)進(jìn)一步完善與深化設(shè)計流程，通過借鑒高速列車頭型設(shè)計及仿生設(shè)計的方法要素，以建立較為完整的設(shè)計程序與方法。

列車頭型設(shè)計分為設(shè)計準(zhǔn)備、方案的設(shè)計及評估等[32]三個階段。在設(shè)計準(zhǔn)備階段，首先進(jìn)行設(shè)計概念定位，明確磁懸浮列車相關(guān)領(lǐng)域的背景、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，深入了解磁懸浮領(lǐng)域的特性，例如相較傳統(tǒng)的高速列車，磁懸浮列車速度更快，車頭傾斜角度也更小，還有由于懸浮系統(tǒng)裝置的影響導(dǎo)致車廂更高、車體更寬等；其次，選取合適的仿生對象，例如楊麗英[33]等認(rèn)為，要根據(jù)設(shè)計要求選取生物原型，因此需要對磁懸浮系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)界限與研究趨勢進(jìn)行分析以定位設(shè)計概念；最后，通過類比、聯(lián)想和推理的方法，綜合考慮自然生物的自然屬性與功能屬性來確定仿生對象。在方案設(shè)計階段，要運(yùn)用仿生設(shè)計的方法要素將上一階段所制定的概念與生物特征運(yùn)用某種方式進(jìn)行耦合。首先要根據(jù)需要對仿生對象進(jìn)行特征提取，將生物特征簡化并抽象為點、線、面等；其次，以簡化得出的點、線、面等特征為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計方案的發(fā)散，其中特征線是最能體現(xiàn)列車特點的造型要素，它可以應(yīng)用于整車的輪廓、形體轉(zhuǎn)折和部件分型等[34]，例如，袁雪青等[35]認(rèn)為，通過側(cè)面輪廓線表達(dá)生物特征最為直觀；再次，通過大量的設(shè)計草圖與方案的迭代，明確造型的大致特征，在迭代中不斷篩選造型方案；最后在符合設(shè)計概念的方案中擇優(yōu)深化。在方案評估階段，需從空氣動力學(xué)與人機(jī)工程學(xué)的角度對所得方案的合理性進(jìn)行評估，以排除不符合要求的方案，并對符合要求的方案進(jìn)行迭代優(yōu)化，最終確定設(shè)計方案。筆者根據(jù)以上觀點總結(jié)磁懸浮列車的仿生設(shè)計程序，見圖3。

五、概念性磁懸浮列車造型設(shè)計實踐

（一）設(shè)計概念定位

本研究階段旨在通過仿生設(shè)計程序和方法，結(jié)合磁懸浮軌道領(lǐng)域技術(shù)要求，進(jìn)行概念性造型設(shè)計。在技術(shù)層面上，筆者以我國自主研制的高溫超導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)所采用的列車技術(shù)界限為參考，并運(yùn)用仿生設(shè)計方法要素，將設(shè)計定位與生物特征耦合，進(jìn)行概念性時速600 km/h磁懸浮列車造型設(shè)計。

（二）仿生對象的選擇

許多物種的進(jìn)化是以提高速度和消耗更少能量的方向發(fā)展，這種動物完美的身體結(jié)構(gòu)可以更好地減少阻力，例如蜂鳥鳥喙的尖端聚焦成為細(xì)細(xì)的一點，這種結(jié)構(gòu)不僅有利于吸取花蜜，而且在飛行時有助于減小風(fēng)阻；再比如鯊魚體表盾鱗上的脊?fàn)钔黄穑瑯?gòu)成了具有圓弧底的溝槽結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)也對減阻起到了很大作用，見圖4。平鰭旗魚又稱東方旗魚，它憑借隨自然環(huán)境和規(guī)律不斷演化出的流線型特征，使其成為短途游行速度最快的動物，且旗魚相比鳥類細(xì)長的喙部輪廓線更加簡潔、變化清晰，非常適合作為以減阻為目的的仿生對象，因此符合本設(shè)計的概念要求。

旗魚在長期與生存環(huán)境的對抗中頭部愈加趨近于流線型，實現(xiàn)了被動進(jìn)化，其上頜最前端匯聚成一點，形成了抵抗外來流體阻力的內(nèi)力，這種內(nèi)外力的制衡體現(xiàn)了生物千百年來的進(jìn)化規(guī)律。此前，有學(xué)者利用旗魚的減阻優(yōu)勢進(jìn)行了一些仿生學(xué)相關(guān)的研究，例如，趙淑紅等[36]提取并擬合了旗魚的流線型特征曲線，設(shè)計了一種開溝器。聶紫薇[37]抽象應(yīng)用了旗魚特征曲線進(jìn)行游艇的造型設(shè)計，使其更加簡潔流暢和富有親和力。本文通過對平鰭旗魚的特征線進(jìn)行分析，發(fā)揮其減阻優(yōu)勢，將這種自然環(huán)境塑造出的形態(tài)運(yùn)用到磁懸浮列車的造型中。

（三）仿生對象分析

在對旗魚的特征提取時，筆者首先對旗魚進(jìn)行逆向三維建模，并將模型導(dǎo)入Rhino中進(jìn)行特征分析，見圖5?？傮w而言，旗魚的特征包括輪廓線與脊椎的側(cè)面隆起形成的結(jié)構(gòu)線，具體可描述為背鰭至頭部間距及頭部經(jīng)腹部延伸至尾鰭為旗魚的輪廓線兩條曲線。將旗魚以三維視角展開，其脊椎部位在側(cè)面形成隆起，向前延伸經(jīng)胸鰭至吻部結(jié)束，形成了流暢的雙曲線特征；從整體觀察所抽象的特征線，簡潔流暢，有向后方延伸的趨勢，總體呈現(xiàn)流線型，適合作為車身的主要特征線型；分區(qū)域觀察曲線，處于頭部的曲線分段，曲率變化更明顯，適合作為列車頭部可變區(qū)域的主要特征線；此外，在細(xì)節(jié)方面，例如旗魚的眼睛與列車車燈的位置具有一定呼應(yīng)性，可以用于后續(xù)深化設(shè)計中。

（四）仿生特征的應(yīng)用

首先，在草圖推敲階段（見圖6），為了更清楚地了解旗魚外形的成因，并較為精準(zhǔn)地定位其主要特征線，筆者參考了旗魚骨骼形態(tài)和大致分布，同時基于從Rhino 中得到的三條具有概括性的特征線為推敲依據(jù)，選取橢圓體作為推敲原型，橢圓體造型具有簡潔的流線型特征，該造型作為列車頭車設(shè)計時，相較其它形態(tài)的空氣阻力最小[38]；其次，依照特征線的整體趨勢通過線性的變化進(jìn)行列車造型的草圖推敲，從中選擇更加貼近設(shè)計概念的方案并深化；再次通過調(diào)整列車頭部長度，盡可能增加整車的流線型比例，以滿足空氣動力學(xué)的需求[39]，通過Rhino軟件來進(jìn)行列車三維形態(tài)的表現(xiàn)，以便更加直觀地推敲曲面之間的轉(zhuǎn)承關(guān)系，為后期的造型評估與細(xì)化做好充足的準(zhǔn)備（見圖6）；最后，經(jīng)過白模方案的迭代與篩選，確定最終的造型設(shè)計方案（見圖7）。

圖6 特征提取與草圖推演過程

圖7 造型設(shè)計白模推導(dǎo)過程

圖8 最終選定的造型方案

（五）造型方案合理性驗證

為了驗證方案是否滿足空氣動力學(xué)要求，本文在后期的驗證階段使用Solidworks 軟件中的Flow simulation 插件對造型方案進(jìn)行流體分析的初步測算。相比其他測算軟件，通過該軟件計算更加直觀、便捷和快速，便于不同學(xué)科背景的設(shè)計人員進(jìn)行交流，滿足學(xué)科交叉性與嚴(yán)謹(jǐn)性的需要[40]，具體仿真模擬驗證過程如下。

首先將Stp 格式的列車方案模型導(dǎo)入Solidworks軟件中，打開flow simulation 插件，并依照向?qū)瓿闪熊囘\(yùn)用環(huán)境的設(shè)置，其中將外界流體設(shè)置為空氣，x軸方向正面風(fēng)速設(shè)置為600 km/h（166.67 m/s），之后載入環(huán)境參數(shù)；其次，在編輯計算域時，盡管本軟件中的流場計算區(qū)域沒有邊界限制，但為了模擬列車運(yùn)行的真實環(huán)境，在模擬過程中為流場區(qū)域設(shè)置了具體大小，具體計算域參數(shù)設(shè)置為長600 m，寬60 m，高10 m；假設(shè)列車在靜止?fàn)顟B(tài)下沿x 軸方向來均勻風(fēng)，插入全局目標(biāo)，選擇計算域中來風(fēng)方向X的列車表面靜壓力選項（力x），并插入目標(biāo)方程，風(fēng)阻系數(shù)見式（1）。

式中：C為風(fēng)阻系數(shù)；F為正面風(fēng)阻力；ρ為空氣密度（為1.29 kg/m3）；S為列車橫截面面積（為13.80 m2）；v為列車運(yùn)行速度（為166.67 m/s）。

最后輸出切面圖、流體軌跡圖等參考視圖及測試報告。

通過分析流體軌跡圖可以看出，氣流經(jīng)車頭被引導(dǎo)至車身頂部與側(cè)面，在車頭前端表面遇到一定阻滯，即圖中綠色曲線部分，見圖9，流動軌跡線有較為明顯的曲率變化，隨著列車流線型曲率愈加平緩，氣流的流動也更加順暢；在切面圖中，顏色由紅色到藍(lán)色的變化表示氣流氣壓由大到小的變化，如圖10～11所示，在車頭位置顏色接近紅色區(qū)域，表明該區(qū)域氣流氣壓更加集中，而總體呈藍(lán)綠色的車身區(qū)域則受壓迫較??；經(jīng)計算風(fēng)阻系數(shù)C為0.115，參考姚拴寶等[41]對時速600 km/s的三輛真實編組的磁懸浮列車外形仿真模擬阻力系數(shù)數(shù)據(jù)所在的區(qū)間，該造型方案阻力系數(shù)較前者更低，具備較好的氣動性能，證明了平鰭旗魚形態(tài)特征應(yīng)用的合理性和有效性。

圖11 立體圖切面與表面分析

（六）設(shè)計方案的深化與評價

在造型設(shè)計方案結(jié)束后，需考慮設(shè)計概念定位中的結(jié)構(gòu)與功能要求，結(jié)合人機(jī)等要素，合理布置各功能區(qū)域和模塊，深化方案細(xì)節(jié)，以提高合理性，最終設(shè)計方案效果見圖12。總體而言，該方案綜合了旗魚形態(tài)、結(jié)構(gòu)及色彩等三個不同層面的特征：運(yùn)用旗魚的形態(tài)特征線及脊椎隆起的結(jié)構(gòu)線作為列車主要造型線，線條簡潔流暢，整體趨勢與方向統(tǒng)一，符合流線型特征；雙曲線、漸消線的使用，在整體線型趨勢中形成變化，既不與整體的速度感相沖突，又使整車造型體現(xiàn)出一種柔軟、活潑、富有節(jié)奏韻律的視覺感受；線型整體趨勢向下，給人一種穩(wěn)重和安全感；整個頭車流線型比例劃分基本符合黃金分割原理，各分型線的倒角尺寸通過數(shù)理比例進(jìn)行幾何規(guī)范，給感性的曲線以一種理性的秩序美感[42]；在不影響總體視覺特征的基礎(chǔ)上增添了細(xì)節(jié)：例如，利用旗魚魚眼的特征與位置，設(shè)計了車燈等。以旗魚腹部的銀白色作為列車主體色彩，通過提取旗魚體背的深紫色作為涂裝對車身進(jìn)行局部點綴裝飾，使視覺層次既豐富又和諧。

圖12 概念設(shè)計方案效果

六、結(jié)語

本文探討了仿生造型設(shè)計的方法要素，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合磁懸浮領(lǐng)域特性建立了設(shè)計的一般程序，旨在為磁懸浮列車造型設(shè)計提出一種較為完整的思路，為車型在設(shè)計開發(fā)的概念階段提供靈感；在設(shè)計實踐中以平鰭旗魚為仿生對象，綜合形態(tài)、結(jié)構(gòu)與色彩等三個層面的仿生手法，提取對象的形態(tài)特征與結(jié)構(gòu)線，結(jié)合手繪草圖、三維建模等推演方法，設(shè)計了時速600 km/h的磁懸浮列車概念造型方案；通過計算機(jī)仿真氣流模擬列車真實運(yùn)行條件，初步計算了所得造型方案的風(fēng)阻系數(shù)，并評價了方案的美學(xué)價值。結(jié)果驗證了平鰭旗魚作為磁懸浮列車仿生對象的合理性，進(jìn)而推斷出合理運(yùn)用仿生設(shè)計能夠在滿足磁懸浮列車氣動性能的前提下，提高造型的品質(zhì)。