楊芯萍 宋春華 曾孟蘭 羅倩 董學(xué)蓮

摘 要：對國內(nèi)外空氣動力學(xué)的演變歷史、典型應(yīng)用與影響因素進(jìn)行了綜述，分析了現(xiàn)有的空氣動力學(xué)在汽車外形設(shè)計應(yīng)用中的問題，提出了擬解決方法，闡述了空氣動力學(xué)在汽車外形設(shè)計中的發(fā)展趨勢，為汽車空氣動力學(xué)外形設(shè)計提供了參考。

關(guān)鍵字：空氣動力學(xué);綜述;汽車外形設(shè)計;發(fā)展趨勢

中圖分類號：O355 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）06-123-03

Abstract： This paper reviewed the evolution history， typical applications and influencing factors of aerodynamics at home and abroad， analyzed the existing aerodynamics in the application of automotive shape design， and proposed some solutions to explain the aerodynamics. The development trend of aerodynamics in automobile shape design is described， which provides reference for automobile aerodynamic shape design.

Keywords： Aerodynamics; Overview; Automotive shape design; Development trend

CLC NO.： O355 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）06-123-03

引言

空氣動力學(xué)是汽車外形設(shè)計的重要依據(jù)之一，汽車良好的氣動性能有助于改善其行駛性能，提高燃油經(jīng)濟(jì)性與操作穩(wěn)定性[1-3]。

本文對近年來國內(nèi)外空氣動力學(xué)在汽車外形設(shè)計的相關(guān)應(yīng)用情況進(jìn)行了綜述，并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了闡述，以期為汽車外形的氣動性設(shè)計提供依據(jù)。

1 國內(nèi)外相關(guān)研究

1.1 汽車外形演變歷史

從箱形車身到楔形車身，汽車外形經(jīng)歷了從單純滿足代步需求，到注重舒適度與美感，再到功能、美感與節(jié)能環(huán)保并重的演變，是汽車氣動性能不斷優(yōu)化的過程[4-5]。圖1所示展示了汽車形態(tài)演變的六階段。

如圖2所示，速度較低時，氣動阻力對汽車行進(jìn)的影響較小，總阻力主要來自滾動阻力;當(dāng)車速到達(dá)120（km/h）時，氣動阻力占總阻力的70%，發(fā)動機(jī)動力主要用來克服空氣阻力做功[13-14]。

2.2 風(fēng)阻系數(shù)

一般地，一輛車的風(fēng)阻系數(shù)是固定的，風(fēng)阻系數(shù)越大，空氣阻力越大。到目前為止，“楔型”車身外形被認(rèn)為是氣動性能最佳的形狀。

2.3 迎風(fēng)面積

理論上，迎風(fēng)面積與空氣阻力呈正比，減小迎風(fēng)面積可以降低空氣阻力，但實(shí)際上，因汽車內(nèi)部空間的需求與限制，迎風(fēng)面積受制于汽車的整體架構(gòu)，很難得到進(jìn)一步的減小[1]。

3 空氣動力學(xué)在汽車外形設(shè)計應(yīng)用中的問題及擬解決方法

3.1 問題分析

現(xiàn)階段，空氣動力學(xué)在汽車外形設(shè)計中的應(yīng)用還存在很多問題：

（1）汽車的氣動設(shè)計和仿真軟件不能智能篩選與反饋設(shè)計數(shù)據(jù)以及各個指標(biāo)參數(shù);設(shè)計、調(diào)試周期長;仿真結(jié)果精確度不夠等。

（2）作為汽車氣動性能研究的重要手段，風(fēng)洞試驗(yàn)存在以下問題：設(shè)備投資大[5];試驗(yàn)周期長[5];堵塞效應(yīng);地面效應(yīng);試驗(yàn)結(jié)果不夠精確等。

（3）最優(yōu)化氣動造型設(shè)計的概念的提出讓車身外形同質(zhì)化現(xiàn)象日益嚴(yán)重，缺乏個性化和多樣化。

3.2 擬解決方法

針對上述問題，提出了一些擬解決方法：

（1）設(shè)計軟件智能化。舉例說明：在軟件啟動之初，預(yù)存目前最優(yōu)化的氣動造型的相關(guān)數(shù)據(jù)及設(shè)計方案，在每一輪的新的設(shè)計中，一旦產(chǎn)生更優(yōu)化、風(fēng)阻更小的數(shù)據(jù)，軟件能自動替換預(yù)存的數(shù)據(jù)及方案，并在下一次設(shè)計時對設(shè)計者進(jìn)行提示，以此減少不必要的設(shè)計時間，提高效率。

（2）風(fēng)洞試驗(yàn)反饋設(shè)計。采用紅外線壓力傳感器采集數(shù)據(jù)，在既不改變汽車外形的情況下，達(dá)到以下目的：第一，提高風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性;第二，反饋數(shù)據(jù)用于再優(yōu)化設(shè)計，縮短設(shè)計周期;第三，為汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計提供載荷依據(jù)。

（3）概念造型。注重創(chuàng)意造型，概念造型能給汽車外形設(shè)計提供新的方向。例如圖3的奧迪品牌分體式概念車，雖然風(fēng)阻系數(shù)有所增加，但造型獨(dú)特，識別度很高。

4 空氣動力學(xué)在汽車外形設(shè)計的應(yīng)用的發(fā)展趨勢

未來的汽車造型仍將是多個學(xué)科交叉的成果。當(dāng)代汽車外形設(shè)計界提出“性能服務(wù)于造型[15]”的口號，很好的說明機(jī)械工程學(xué)和人機(jī)工程學(xué)已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的發(fā)展階段，而空氣動力學(xué)在汽車外形設(shè)計上還具有很大的發(fā)展余地：一方面，智能傳感器的發(fā)展、材料工藝的提升以及人工智能的發(fā)展都為汽車氣動特性的研究與應(yīng)用提供了條件;另一方面，個性化定制的需求、節(jié)能環(huán)保大環(huán)境的趨勢都要求未來的汽車外形設(shè)計要結(jié)合空氣動力學(xué)、美學(xué)等多方面的因素來設(shè)計，空氣動力學(xué)在汽車外形設(shè)計上的應(yīng)用十分有意義。

5 總結(jié)

人們一直致力研究風(fēng)阻低、穩(wěn)定性好的車身造型，因?yàn)閮?yōu)秀的汽車外形設(shè)計不僅是對汽車性能的優(yōu)化，也是對潛在客戶的感官吸引。雖然現(xiàn)階段空氣動力學(xué)在汽車外形設(shè)計方面的研究與應(yīng)用取得了一些成就，但因?yàn)楦鞣N原因，空氣動力學(xué)在汽車外形設(shè)計上的研究與應(yīng)用還處在探索階段，汽車氣動特性理論遠(yuǎn)沒有達(dá)到完善的地步。

參考文獻(xiàn)

[1] 王紅云，曾祥坤.空氣阻力與汽車外形發(fā)展分析[J].廣東技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報，2015，36（11）：61-63.

[2] Filippone A. Unsteady gust response of road vehicles[J]. Journal of Fluids Engineering， 2003， 125（4）：806- 812.

[3] 張英朝，詹大鵬，趙婧，等.汽車風(fēng)洞地面效應(yīng)模擬系統(tǒng)影響的研究[J].汽車工程，2016，38（12）：1434-1439.

[4] 王海云.造型設(shè)計降低汽車風(fēng)阻的探索與實(shí)踐[J].裝備制造技術(shù)，2015（06）：230-233.

[5] 張琳.基于形態(tài)學(xué)的汽車外觀設(shè)計方法研究[D].天津大學(xué)，2007.

[6] 詹偉杰，陳錦昌.流線設(shè)計對汽車外觀設(shè)計的影響[J].包裝工程，2009，30（03）：139-142.

[7] 薛明欣.外形參數(shù)對純電動轎車氣動阻力的影響研究[D].吉林大學(xué)，2016.

[8] 王淼，劉振俠，黃生勤. FLUENT在汽車外形設(shè)計中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2005（04）：71-73.

[9] 高志彬，趙鍇，劉政.基于CFD的某車型外流場分析[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2017（10）：137-139.

[10] 付璐，付黎明.汽車造型的技術(shù)因素研究[J].包裝工程，2008（07）： 167-169+172.

[11] 賴晨光.汽車底部外形對氣動特性影響的研究[D].吉林大學(xué)， 2006.

[12] 楊明.轎車氣動外形優(yōu)化設(shè)計研究[D].吉林大學(xué)，2015.

[13] 孫自強(qiáng).基于空氣動力學(xué)的車身造型設(shè)計研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2006.

[14] 萬垚堯，劉長虹.轎車外形的空氣動力性能有限元分析[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2005（01）：32-34.

[15] 谷正氣.汽車氣動造型淺釋[J].上海汽車，2000（04）：21-22.