設(shè)計(jì)研究

造型設(shè)計(jì)階段汽車氣動(dòng)特性優(yōu)化

陳佳偉

（德州學(xué)院汽車工程學(xué)院，山東 德州 253023）

汽車是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展體系中不可或缺的元素，為人們的出行、貨物運(yùn)輸?shù)忍峁┝酥T多的便利，其應(yīng)用價(jià)值與社會(huì)價(jià)值是不可估量的。新時(shí)期，汽車行業(yè)得到了全面的發(fā)展，汽車企業(yè)的數(shù)量在不斷增加，汽車生產(chǎn)技術(shù)也在不斷革新，各大企業(yè)均致力于提升汽車性能，文章針對(duì)汽車氣動(dòng)特性的不斷優(yōu)化，從汽車的造型設(shè)計(jì)階段著手，展開了分析與探究。從而達(dá)到增強(qiáng)汽車的機(jī)體運(yùn)行性能的效果。

造型設(shè)計(jì)階段；汽車；氣動(dòng)特性

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.010

CLC NO.: U462 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-29-03

前言

現(xiàn)如今，私家車數(shù)量在逐漸增多，人們對(duì)汽車的性能、外觀、實(shí)用性等都有了新的要求和認(rèn)知，汽車車速在不斷提高，進(jìn)而所耗費(fèi)的燃油會(huì)更多，氣動(dòng)性增強(qiáng)，為了實(shí)現(xiàn)燃油的經(jīng)濟(jì)性，提高汽車的運(yùn)行性能，汽車行業(yè)在不斷的探索與實(shí)踐，尋求一種最新、高效、經(jīng)濟(jì)的汽車造型，為此，可將計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件應(yīng)用到汽車造型的設(shè)計(jì)之中，在汽車操行設(shè)計(jì)階段，將優(yōu)化氣動(dòng)特性充分考慮其中，以提升整輛汽車的設(shè)計(jì)價(jià)值與實(shí)用價(jià)值。

1、CFD條件下造型設(shè)計(jì)階段汽車氣動(dòng)特性優(yōu)化中所存在的不足

目前，在造型設(shè)計(jì)階段，考慮汽車氣動(dòng)特性的不斷優(yōu)化，應(yīng)用CFD軟件，還存在著一系列的不足，制約著氣動(dòng)特性的不斷優(yōu)化。

首先，CFD軟件的應(yīng)用，其分析模型中網(wǎng)格的數(shù)量非常多，達(dá)到數(shù)百萬，計(jì)算難度大，實(shí)施起來效率較低[1]。

其次，在CFD軟件應(yīng)用的現(xiàn)狀來看，針對(duì)設(shè)計(jì)相關(guān)的問題，具有高度的約束性，約束的因素過多[2]，無法使得氣動(dòng)性能得到更為有效的優(yōu)化，優(yōu)化工作開展存在限制性。與此同時(shí)，應(yīng)用該模型，無法對(duì)重要的參數(shù)信息、氣動(dòng)數(shù)據(jù)等進(jìn)行修改，導(dǎo)致應(yīng)用效果不佳、不理想。

再者，在整輛車的三維模型分析上，此階段涉及到的參數(shù)過多，分析與整理起來難度大，使得汽車整體結(jié)構(gòu)在氣動(dòng)性能優(yōu)化上受阻，操作人員僅僅是通過局部的修整，無法達(dá)到理想的設(shè)計(jì)效果。

對(duì)于汽車來說，造型設(shè)計(jì)階段至關(guān)重要，對(duì)于細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)所涉及的點(diǎn)較少，缺少對(duì)于設(shè)計(jì)的相關(guān)約束性，造型設(shè)計(jì)上比較自由，能給設(shè)計(jì)師足夠的設(shè)計(jì)空間。與此同時(shí)，為了提升整輛汽車的性能，在保證造型設(shè)計(jì)完美的基礎(chǔ)上，也要考慮新車型所具備氣動(dòng)性能?，F(xiàn)如今，我國汽車行業(yè)發(fā)展迅速，都紛紛致力于對(duì)汽車氣動(dòng)特性的優(yōu)化，其實(shí)質(zhì)上是對(duì)二維縱向?qū)ΨQ面結(jié)構(gòu)參數(shù)的不斷優(yōu)化與完善，以增強(qiáng)汽車的氣動(dòng)性能，對(duì)于汽車行業(yè)來說是一項(xiàng)重大的進(jìn)步。

2、造型設(shè)計(jì)階段汽車氣動(dòng)特性優(yōu)化策略

2.1 CFD條件下縱向剖面模型的驗(yàn)證

為了探索造型階段汽車氣動(dòng)特性的優(yōu)化措施，應(yīng)以空氣動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，設(shè)置基本形體，也就是縱向?qū)ΨQ面，嚴(yán)格控制其結(jié)構(gòu)參數(shù)，該參數(shù)會(huì)對(duì)汽車的氣動(dòng)特性產(chǎn)生影響，開展氣動(dòng)特性優(yōu)化前，對(duì)縱向剖面模型進(jìn)行有效的驗(yàn)證。

2.1.1 設(shè)置仿真參數(shù)

該驗(yàn)證應(yīng)選擇在模擬性風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)區(qū)域，對(duì)長(zhǎng)方體的計(jì)算域進(jìn)行明確設(shè)定，保證車輛前部分應(yīng)保持3倍的車長(zhǎng)，而后部分應(yīng)保持7倍車長(zhǎng)，左右方向上應(yīng)設(shè)置5倍車寬，上方位置應(yīng)設(shè)置5倍車高，在風(fēng)動(dòng)阻塞比上應(yīng)控制在2.23%，以消除阻塞所帶來的影響。為了強(qiáng)化表面處理，可將ICEM軟件應(yīng)用其中[3]，對(duì)幾何的表層進(jìn)行處理，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生四面體網(wǎng)格模型，進(jìn)而會(huì)拉深出附面層。速度入口設(shè)定為計(jì)算域的入口，參數(shù)值為35m/s[4]，壓力出口就是出口位置，而移動(dòng)的壁面則選擇地板，移動(dòng)速度為35m/s。在車輛的表面設(shè)計(jì)上，應(yīng)設(shè)定為不可滑行或移動(dòng)的表面，而左右壁面、上表層則選擇可滑動(dòng)、移動(dòng)的壁面，借助k-ε湍流模型來進(jìn)行計(jì)算并求解。

2.1.2 仿真效果對(duì)比

為了達(dá)到理想的驗(yàn)證效果，對(duì)二維縱向?qū)ΨQ面模型的可參考價(jià)值與仿真情況進(jìn)行分析，可應(yīng)用國際標(biāo)準(zhǔn)模型直背型MIRA車來參與研究，將該模型與二維縱向?qū)ΨQ面模型進(jìn)行有效的對(duì)比和分析，以求為汽車造型設(shè)計(jì)中氣動(dòng)特性的優(yōu)化提供借鑒。

表1 仿真的結(jié)果參數(shù)對(duì)比

具體來講，二維模型可看做具有更大寬度、翼面更為復(fù)雜的三維模型，氣場(chǎng)流的方向?yàn)闄M向無流動(dòng)的狀態(tài)，且氣流流動(dòng)的區(qū)域在于上表面，然后順勢(shì)進(jìn)入尾流階段。三維模型與二維模型相比，其兩個(gè)邊側(cè)會(huì)多出2個(gè)表面，處在上下表面、側(cè)面間的氣流會(huì)發(fā)生相互流出、溢出的現(xiàn)象，進(jìn)而使得整個(gè)氣場(chǎng)力的狀態(tài)變得更為復(fù)雜。由此可見，在三維狀態(tài)下，其阻力參數(shù)要比二維狀態(tài)下縱向?qū)ΨQ面模型的阻力參數(shù)更大，而在氣動(dòng)升力參數(shù)值上卻未發(fā)生變化，如表1所示。通過分析，了解到二維縱剖面氣動(dòng)仿真特性優(yōu)化的實(shí)施具有可行性。

3、CFD條件下縱向剖面模型的仿真設(shè)計(jì)與優(yōu)化

3.1 合理設(shè)置縱剖模型的參數(shù)值

為了更為深度的了解汽車氣動(dòng)特性優(yōu)化的方案，本文以CFD軟件為基礎(chǔ)，針對(duì)二維縱向?qū)ΨQ面結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)氣動(dòng)特性的影響情況進(jìn)行分析，需要開展多次采樣的方式，并認(rèn)真計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的阻力參數(shù)與升力參數(shù)。為了提升整個(gè)過程操作的規(guī)范性與便利性，可根據(jù)參數(shù)來構(gòu)建模型，使得整個(gè)仿真設(shè)計(jì)更具說服力，如圖1所示。

圖1 縱剖模型以及相關(guān)的參數(shù)設(shè)定

為了更為深度的進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)與探究，應(yīng)從近幾年來汽車造型的實(shí)際設(shè)計(jì)案例中進(jìn)行選擇，選擇造型設(shè)計(jì)對(duì)氣動(dòng)力系數(shù)影響較大參數(shù)變化量最為設(shè)計(jì)變量，獲取各個(gè)設(shè)計(jì)量的具體參數(shù)值。

3.2 二維縱向模型仿真分析

通過一系列的計(jì)算與仿真效果分析，了解到耦合參數(shù)會(huì)對(duì)阻力系數(shù)產(chǎn)生影響，且該影響不是有單個(gè)元素影響逐漸疊加而形成的。整個(gè)曲面的形態(tài)變得越扭曲，則證明耦合參數(shù)所形成的影響就越大[5]。從圖2中可明確了解到，處在前風(fēng)窗與發(fā)動(dòng)機(jī)罩間的正壓區(qū)域，主要受到機(jī)罩和風(fēng)窗間夾角、機(jī)罩的三維曲率和傾斜角、風(fēng)窗的三維曲率和傾斜角等參數(shù)的影響。若將機(jī)罩與風(fēng)窗間的夾角系數(shù)降低，會(huì)讓分離線和附著線逐漸靠近，此時(shí)，分離區(qū)會(huì)逐漸減小，在此過程中啟動(dòng)阻力會(huì)逐漸降低。若兩者間夾角處在30°時(shí)，阻力參數(shù)值處在最佳位置。

圖2 前風(fēng)窗傾角對(duì)氣動(dòng)特性的影響結(jié)果

4、建立代理模型，優(yōu)化各項(xiàng)參數(shù)

4.1 建立代理模型

為了掌握造型設(shè)計(jì)階段中汽車氣動(dòng)特性優(yōu)化策略，應(yīng)建立代理模型，運(yùn)用近似模型方法，進(jìn)而得出計(jì)算的參數(shù)與近似精度值，可選擇徑向基近似模型，在構(gòu)建此模型時(shí)，需要使用高斯函數(shù)。在表示徑向基插值時(shí)，可運(yùn)用公式來代替

在上式中，wk代表樣本中各個(gè)點(diǎn)的權(quán)系數(shù)，φk(rik)屬于基函數(shù)，其中rik代表著某一個(gè)點(diǎn)，改變的坐標(biāo)為(xi,xj)。

4.2 遺傳算法的應(yīng)用

為了達(dá)到更有效的優(yōu)化效果，應(yīng)將遺傳算法應(yīng)用，以應(yīng)用NSGA-Ⅱ?yàn)橹鳎涫窃赑areto最優(yōu)概念的基礎(chǔ)上得出來的。為保證數(shù)值獲取的優(yōu)質(zhì)性，可采用小生境技術(shù)，對(duì)個(gè)體進(jìn)行適度值的設(shè)定，能有效禁止局部收斂現(xiàn)象的出現(xiàn)。為了拓寬采樣的空間，將父代子群與子代種群放置一起進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)性排序，進(jìn)而獲得更為優(yōu)質(zhì)的下一代，最終能達(dá)到優(yōu)化的效果。

研究人員將升力系數(shù)、阻力系數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建近似模型f1、f2，將遺傳算法應(yīng)用其中，旨在實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)特性的不斷優(yōu)化，進(jìn)而得出近似模型與仿真的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)升力參數(shù)的誤差范圍為0.77%～60.46%以內(nèi)，而阻力參數(shù)的誤差范圍控制在0.52%～4.26%以內(nèi)，達(dá)到理想的設(shè)計(jì)要求。

5、總結(jié)

綜上所述，汽車已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的交通工具，其應(yīng)用價(jià)值不言而喻。為了充分提升汽車的實(shí)用價(jià)值，可在汽車造型設(shè)計(jì)階段重視汽車氣動(dòng)特性的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，增強(qiáng)汽車性能，運(yùn)用CFD軟件模型的分析與剖析，真正的掌握汽車氣動(dòng)特性優(yōu)化的措施與方法，是未來汽車領(lǐng)域亟待探索的話題，利于推動(dòng)汽車行業(yè)的全面進(jìn)步。

[1] 李偉平,肖娟,張寶珍,牛曉佩.造型設(shè)計(jì)階段汽車氣動(dòng)特性優(yōu)化[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2016,06:1-6.

[2] 孫連偉.某SUV車型上車身氣動(dòng)力性能優(yōu)化分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2016,05:244-248.

[3] 趙波,屠建中.基于空氣動(dòng)力學(xué)的車身造型設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011,07:48-50.

[4] 廖海祥.XMQ6128Y客車造型的空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)電技術(shù),2015,01:115-120.

[5] 張懷華,容江磊,郭建成.某轎車氣動(dòng)特性的CFD分析及優(yōu)化[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,02:56-61.

Car of aerodynamic optimization design stage

Chen Jiawei
（School of automotive engineering, Dezhou University, Shandong Dezhou 253023）

Car is an indispensable element in the development of modern society system, for people's travel, goods transportation provides a lot of convenience, its application value and social value is immeasurable. In the new period, the automobile industry got the comprehensive development, the number of car companies are on the increase, auto production technology is also in constant innovation, companies are committed to improve automobile performance, based on the aerodynamic characteristics of continuous optimization, start from the design phase of the car, carried out analysis and inquiry. To strengthen the result of the car body running performance.

modelling design stage; Car; Aerodynamic characteristics

U462

A

1671-7988 (2016)12-29-03

陳佳偉（1994-），男，就讀于德州學(xué)院，交通運(yùn)輸專業(yè)。

指導(dǎo)老師：孟俊煥（1970.01—），女，副教授，就職于德州學(xué)院，研究方向：機(jī)械制造及自動(dòng)化，從事機(jī)械新產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究工作。