劉慷慷，李福洋，郭巍

（武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

某款汽車(chē)尾翼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

劉慷慷，李福洋，郭巍*

（武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

我國(guó)汽車(chē)的保有量增加對(duì)汽車(chē)的行駛穩(wěn)定性提出了更高的要求。尾翼的安裝會(huì)顯著改變汽車(chē)的氣動(dòng)特性，影響汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性、操控穩(wěn)定性等性能,但國(guó)內(nèi)很多汽車(chē)尾翼的安裝只是為了外觀要求，安裝的不合理甚至?xí)档驼?chē)的性能。文章中尾翼及整車(chē)的氣動(dòng)特性研究采用仿真手段。首先，運(yùn)用三維畫(huà)圖軟件制作尾翼模型，將CFD仿真所必需的各環(huán)節(jié)集成化，實(shí)現(xiàn)模型、網(wǎng)格及數(shù)值計(jì)算的自動(dòng)化；其次，用Altair Hyperworks軟件分析在在一定行駛條件下，尾翼的強(qiáng)度及變形情況；第三，用fluent進(jìn)行流體分析，并基于近似模型進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化；最后對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析，得到尾翼的最佳參數(shù)。文章進(jìn)行汽車(chē)尾翼的相關(guān)研究，一方面為尾翼的設(shè)計(jì)、安裝提供一定的參考，另一方面為減少汽車(chē)流體阻力來(lái)進(jìn)行汽車(chē)氣動(dòng)特性?xún)?yōu)化分析。

汽車(chē)尾翼；攻角；仿真分析；數(shù)值模擬

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-95-04

引言

尾翼作為一種汽車(chē)空氣動(dòng)力性部件，可顯著影響汽車(chē)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性、舒適性等。對(duì)于高速行駛的汽車(chē)，空氣動(dòng)力特性尤其對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性和操縱穩(wěn)定性有重要影響。例如汽車(chē)用來(lái)克服氣動(dòng)阻力的功率正比于速度的三次方，升力和縱傾力矩對(duì)于高速行駛汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性有很大的影響。汽車(chē)尾翼可以在汽車(chē)高速行駛時(shí)，使空氣阻力形成一個(gè)向下的壓力，盡量抵消升力，有效控制氣流下壓力，使風(fēng)阻系數(shù)相應(yīng)減小，增加汽車(chē)的高速行駛穩(wěn)定性。

谷正氣、郭建成等研究了某跑車(chē)尾翼外形變化對(duì)氣動(dòng)升力的影響，具體研究了攻角、翼面凹坑以及支架形式對(duì)尾翼氣動(dòng)性能的影響[1]。容江磊、谷正氣等將參數(shù)尋優(yōu)方法與計(jì)算流體力學(xué)方法結(jié)合起來(lái)，基于該近似模型對(duì)模型氣動(dòng)特性進(jìn)行優(yōu)化[2]。范慶明、曹巖等將CFD仿真過(guò)程所必須的參數(shù)化建模、網(wǎng)格劃分以及數(shù)值計(jì)算集成起來(lái)，并由優(yōu)化器直接驅(qū)動(dòng)集成后的CFD仿真[3]。付強(qiáng)的轎車(chē)尾翼間距和攻角的數(shù)值風(fēng)洞研究，基于fluent說(shuō)明尾翼間隙和攻角對(duì)尾翼性能的影響[4]。

本文中以某一款尾翼模型為基礎(chǔ)，使用fluent和hyperworks數(shù)值模擬計(jì)算方法，從尾翼攻角方面研究尾翼攻角變化對(duì)氣動(dòng)升力的影響。

1、模型建立

1.1三維模型建立

圖1 模型的建立

1.2 流體模型建立

Z方向?yàn)閬?lái)流方向，總長(zhǎng)為3.95m，其中翼型前緣距離進(jìn)口的距離為1.72m，翼型前緣距出口距離為1.97m；X方向總寬為8.0m，翼型處于X方向中間位置，翼型側(cè)面距兩邊壁面距離皆為3.25m；Y方向總高為3.81m，支撐架底部距地面的高度為2.01m，翼型頂部距頂部封閉面的高度為1.53m。

進(jìn)口邊界命名為 inlet，出口為 outlet，地面為 ground，壁面為計(jì)算域側(cè)面和頂面，命名為 wall。

計(jì)算域內(nèi)體網(wǎng)格類(lèi)型是四面體網(wǎng)格。inlet、outlet、wall、ground 的面網(wǎng)格單元大小皆為0.2，翼型附近的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，網(wǎng)格大小為0.04，翼型表面網(wǎng)格大小為0.01，體網(wǎng)格總數(shù)為115萬(wàn)。

數(shù)值計(jì)算選擇基于壓力求解器，模型選擇為Viscous-SST k-omega。邊界條件設(shè)置如下：inlet 為速度進(jìn)口，進(jìn)口速度為 30m/s；outlet 為壓力出口；ground 為移動(dòng)壁面，移動(dòng)速度與進(jìn)口處來(lái)流速度相同；wall和尾翼都是固定壁面。使用的求解方法為 SIMPLE 算法[5]。

1.3 Altair Hypermesh強(qiáng)度模型建立

1.3.1 創(chuàng)建中層面

利用Hyperworks中的中面抽取功能（Midsurface）進(jìn)行中面抽取，實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體到幾何面的轉(zhuǎn)化。

圖2 對(duì)實(shí)體零件抽取中面

1.3.2 2D網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?/p>

考慮到尾翼各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，形狀較為規(guī)范，只要用自動(dòng)網(wǎng)格劃分（Automeshing）即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的劃分，單元尺寸選擇原則要保證整體單元質(zhì)量合格，可以減少后續(xù)的單元質(zhì)量檢查與編輯的工作量，同時(shí)盡量減少單元總量，提高計(jì)算效率。

圖3 2D網(wǎng)格的自動(dòng)化分

圖4 2D單元質(zhì)量檢查面板

1.3.3 數(shù)值模擬

構(gòu)成設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型包括目標(biāo)函數(shù)、約束條件。翼型的導(dǎo)流板承受載荷，翼型的支架固定，六個(gè)方向的自由度設(shè)為零，翼型的腹板由于與地面成的角度較小，因此加載在其水平方向的力較小，且變形和應(yīng)力主要看導(dǎo)流板的情況，故令加載在其載荷為零[6]。導(dǎo)流板的magnitud是力的大小為35N（根據(jù)據(jù)空氣阻力的公式：F=(1/2)C·ρ·S·V^2 計(jì)算。式中：C為空氣阻力系數(shù)，為0.315；ρ為空氣密度，為1.29Kg/m3；S物體迎風(fēng)面積，為0.192m2；V為物體與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，為30m/s），magnitud 大小與施加壓力大小的百分比，設(shè)置為100000%。

2、結(jié)果分析

2.1 流體結(jié)果分析

2.1.1 不同尾翼攻角升力、阻力的綜合分析

通過(guò)對(duì)不同攻角的尾翼進(jìn)行分析得到如下數(shù)據(jù)：

表1 不同攻角的尾翼的升力、阻力

圖5 不同攻角的尾翼的升力、阻力

不同攻角下的尾翼速度與壓力不同，下圖為本實(shí)驗(yàn)選取的攻角下為2.28度尾翼在X方向（X=0處YZ平面）的平面下尾翼的速度分布情況：

圖6 2.28尾翼附近的速度分布

圖7 6.28尾翼附近的速度分布

從圖中可以看出，翼型前緣上側(cè)處為駐點(diǎn)位置，此處壓力達(dá)到最大，同時(shí)速度最?。粡鸟v點(diǎn)沿翼型上側(cè)向后，由于存在正壓力梯度，流動(dòng)速度逐漸增大，壓力逐漸減小；從駐點(diǎn)沿翼型下側(cè)向后到壓力最小處之間，壓力從最大值變?yōu)樽钚≈?，壓力梯度最大，因此前緣下?cè)位置流動(dòng)速度達(dá)到最大；在翼型下側(cè)后端，壓力梯度變?yōu)樨?fù)值，即壓力由最小值逐漸恢復(fù)，因此流動(dòng)速度減小。

2.1.2 對(duì)于某一點(diǎn)的受力進(jìn)行說(shuō)明

在模型中選取五個(gè)點(diǎn)分別進(jìn)行壓力、速度分析。

圖8 模型選點(diǎn)說(shuō)明

不同的尾翼攻角對(duì)應(yīng)在相同位置對(duì)應(yīng)不同的速度。尾翼下壓力的提供根據(jù)上下面風(fēng)速的不同，根據(jù)流體的壓強(qiáng)，速度大的位置壓強(qiáng)小。根據(jù)fluent綜合分析結(jié)果，6.28°的尾翼攻角提供的下壓力最大，在圖7中在C點(diǎn)的速度明顯比其它尾翼攻角的大，且A、B點(diǎn)的速度??；選點(diǎn)的位置A、B點(diǎn)位于尾翼上方，C點(diǎn)位于尾翼下方，從圖中可以看出，相同的尾翼攻角，其上方的速度小對(duì)應(yīng)下方速度就偏大，符合尾翼提供下壓力的條件。

圖9 A、B、C三點(diǎn)的速度（m/s）分析

圖10 D、E兩點(diǎn)壓力(N)分析（力的方向往下為正）

不同的尾翼攻角對(duì)應(yīng)在相同位置對(duì)應(yīng)不同的壓力。根據(jù)fluent綜合分析結(jié)果，6.28°的尾翼攻角提供的下壓力最大，在D、E兩點(diǎn)，D點(diǎn)位于尾翼上方，E點(diǎn)位于尾翼下方，在圖8中可以看出D點(diǎn)的正壓力相比其它攻角的尾翼最大，E點(diǎn)的最?。?10.28°的下壓力最小，在圖中可以看出其E點(diǎn)的壓力最小。

2.2 尾翼應(yīng)力結(jié)果分析

2.2.1 不同尾翼攻角綜合分析

表2 不同攻角的應(yīng)力和尾翼

圖11 不同尾翼攻角的應(yīng)力、位移變形圖

從圖10可以看出，應(yīng)力大的尾翼其對(duì)應(yīng)位移變形也大。由上圖可以看出，-10.28°的尾翼其應(yīng)力最小，變形量最小，故其強(qiáng)度最好。

不同攻角下的尾翼應(yīng)力和位移不同，下圖為本實(shí)驗(yàn)選取的攻角下為2.28度尾翼在X方向（X=0處YZ平面）的平面下尾翼的應(yīng)力和位移分布情況：

圖12 攻角為2.28°的位移云圖

由位移云圖可以看出，變形最大的是導(dǎo)流板和腹板的中部。導(dǎo)流板最大的位移為0.313mm，腹板最大的位移是0.22mm。導(dǎo)流板受到的變形是向后的，腹板受到的變形是向上的，說(shuō)明尾翼在受到正面的風(fēng)力時(shí)翼型中部受到的載荷最大，可以在中間設(shè)置一塊肋板來(lái)減輕這種變形。由位移云圖可以看出，變形最大的是導(dǎo)流板和腹板的中部。

圖13 攻角為2.28°的應(yīng)力云圖

應(yīng)力云圖很形象地反映了尾翼在受到均布載荷后的變化，由應(yīng)力云圖可以看出，在支板與腹板的連接部分為壓力最大處，其位置承受橫向切力和尾翼自身重力。尾翼在受到載荷后仍然滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度性能要求。

2.2.2 相同攻角尾翼的特殊點(diǎn)應(yīng)力和位移比較

綜合的尾翼壓力、位移變形圖說(shuō)明整個(gè)尾翼的受力情況，不同攻角尾翼對(duì)應(yīng)不同的點(diǎn)的受力情況對(duì)分析行駛過(guò)程中的汽車(chē)尾翼具有重要意義。

圖14 不同尾翼攻角的導(dǎo)流板縱向取點(diǎn)變形比較（取點(diǎn)從頂部到底部）

圖15 不同尾翼攻角的導(dǎo)流板橫向取點(diǎn)變形比較（從中間到兩側(cè)）

由圖13、14可以看出，不同的尾翼攻角不同的點(diǎn)，其變形量也不同。在導(dǎo)流板縱向取點(diǎn)變形比較中，越靠近頂部其變形量越大，在6.28°的尾翼攻角其變形量最大，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力也最大；在導(dǎo)流板橫向取點(diǎn)變形比較中，取的點(diǎn)越靠近導(dǎo)流板中部變形量越大，在-10.28°的尾翼攻角其變形量最小，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力也最小。

3、結(jié)論

汽車(chē)尾翼的安裝能夠顯著影響汽車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)特性，從而改善汽車(chē)性能尤其是高速操縱穩(wěn)定性。汽車(chē)尾翼以及其他空氣動(dòng)力學(xué)裝置已經(jīng)普遍適用于超級(jí)跑車(chē)和賽車(chē)。汽車(chē)尾翼的數(shù)值計(jì)算方法的集成優(yōu)化研究能夠有效減小數(shù)值計(jì)算計(jì)算量縮短優(yōu)化周期，同時(shí)可以為風(fēng)洞試驗(yàn)提供初始尾翼位置和尾翼的變化范圍，對(duì)于工程應(yīng)用具有一定的參考意義。

本文以 CFD 數(shù)值方法為主要的研究手段，對(duì)單獨(dú)翼型進(jìn)行了模擬計(jì)算與分析。首先基于HyperWorks對(duì)翼型進(jìn)行強(qiáng)度分析與校核；其次采用數(shù)值計(jì)算集成方法對(duì)單獨(dú)翼型研究翼型攻角對(duì)翼型阻力系數(shù)和升力系數(shù)的影響；第三分析比較了不同翼型攻角的近似模型差異對(duì)尾翼性能的影響；最后通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到了尾翼攻角對(duì)整車(chē)氣動(dòng)特性的影響。通過(guò)上述研究得到了以下結(jié)論：

（1）翼型攻角對(duì)翼型阻力系數(shù)和升力系數(shù)有較大的影響。總體上隨著翼型攻角減小，其阻力系數(shù)逐漸減小，但阻力系數(shù)減小的速率逐漸變?。灰硇偷纳ο禂?shù)先逐漸變大，而后又逐漸減小，再逐漸變大。

（2）行駛過(guò)程中的汽車(chē)尾翼其最大位移變形出現(xiàn)在導(dǎo)流板中部、頂部。

（3）尾翼的安裝能夠有效影響其旁邊的空氣流速。在設(shè)計(jì)空間內(nèi)，可以通過(guò)改變尾翼安裝參數(shù)，控制尾翼周?chē)目諝饬魉?，在阻力增加較小的情況下，獲得一定的下壓力。

[1] 谷正氣,郭建成等.某跑車(chē)尾翼外形變化對(duì)氣動(dòng)升力影響的仿真分析.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013.3：248-252.

[2] 容江磊,谷正氣等.基于Kriging模型的跑車(chē)尾翼斷面形狀的氣動(dòng)優(yōu)化.中國(guó)機(jī)械工程.2011.1.

[3] 范慶明,曹巖等.基于iSIGHT平臺(tái)翼型氣動(dòng)優(yōu)化CAD/CFD集成技術(shù)研究.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2011.8.

[4] 付強(qiáng). 轎車(chē)尾翼間距和攻角的數(shù)值風(fēng)洞研究.長(zhǎng)春:吉林大學(xué). 2007.

[5] 鄭力銘.ANSYS Fluent 15.0 流體計(jì)算從入門(mén)到精通,北京.電子工業(yè)出版社.2015.

[6] 彭世沖.基于HyperWorks的尾翼水平安定面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).中航通飛研究院有限公司.2015.10.

Design and optimization of an Automobile rear wing

Liu Kangkang, Li Fuyang, Guo Wei*
( Wuhan university of technology school of automotive engineering, Hubei Wuhan 430070 )

Automobile ownership increased demands on automobile driving stability is higher. Rear wing can change the automobile’s aerodynamic characteristics significantly. It will influence the car's fuel economy, handling stability and other properties, but many rear wing installed just for appearance requirements in the domestic, and rear wing unreasonable installation even reduce the aerodynamic characteristics of the vehicle. Study on aerodynamic characteristics of wing and vehicle in this article by using simulation methods.First of all, using three-dimensional drawing software make a model,integrated each of steps needed to CFD simulation, so as to automated model updating, mesh generation and numerical calculation;Second, analysis under certain driving conditions, rear wing of the strength and deformation by using Altair Hyperworks software; Third, fluid analysis by fluent, and based on the approximate model for optimized; Finally, analysis of the results, and get the best parameters of rear wing.This paper studies automobile rear wing, on one hand, it provides a reference for the installation of Rear wing, on the other hand reduces automobile fluid resistance for optimization analysis of aerodynamic characteristics of the vehicle.

rear wing; attack angle; simulation analysis; numerical simulation

U462.1

A

1671-7988(2016)07-95-04

劉慷慷，就讀于武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院。

郭巍*，講師，就職于武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院。研究方向：汽車(chē)輕量化?；痦?xiàng)目：碳纖維汽車(chē)尾翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化(20151049707002)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.030