輕卡外流場數(shù)值模擬及貨箱優(yōu)化設(shè)計

程華揚　薛鐵龍　張代勝

摘 要：對某輕卡進行外流場的數(shù)值模擬，通過對模型的流場特性的分析，研究氣動阻力產(chǎn)生的主要原因。將車廂高度和車廂與駕駛艙距離作為兩個影響因子，采用拉丁超立方設(shè)計方法和最小二乘法創(chuàng)建二階響應(yīng)面模型，利用混合整型優(yōu)化法進行參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化后與原型設(shè)計相比，整車氣動阻力明顯減小，表明該方法能有效地提高整車空氣動力學(xué)性能和CFD優(yōu)化效率。

關(guān)鍵詞：輕卡；數(shù)值模擬；氣動阻力；性能優(yōu)化

中圖分類號：U461.1 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2014）03-0024-06

Numerical Simulation on the Exterior Field of a Light Truck and Optimization Design of its Goods Carriage

CHENG Hua-yang ， XUE Tie-long， ZHANG Dai-sheng

（School of Mechanical and Automotive Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009，China）

Abstract： A 3D numerical simulation on the exterior field of a light truck is conducted. By analyzing the flow field characteristics of the model， the main causes of its aerodynamic drag are studied. The height of the goods carriage and the distance between goods carriage and cab are used as two factors of influence. The Optimal Latin hypercube design method and the least squares method are used to create a second-order response surface model. The Multifunction Optimization System Tool method is used for parameter optimization. Compared with the origin design， The aerodynamic drag is reduced obviously. The results indicates that the method can improve the vehicle aerodynamic performance and the optimization efficiency of CFD effectively.

輕卡是指車型分類中的載貨車中最大設(shè)計總質(zhì)量不大于3.5噸的車型，其于上世紀九十年代進入快速發(fā)展時期，產(chǎn)量和產(chǎn)品品質(zhì)不斷提高，出口數(shù)量不斷增加，我國現(xiàn)已成為輕型卡車制造大國。但是在產(chǎn)品銷量快速增長的同時，中國輕卡自身的質(zhì)量問題也逐漸凸顯，產(chǎn)品的技術(shù)含量和競爭力不夠充分，其燃油經(jīng)濟型、發(fā)動機性能、制動系統(tǒng)、排放、噪聲問題十分明顯和普遍。而對輕卡的外流場進行優(yōu)化，既能減小其行駛空氣阻力，提高燃油經(jīng)濟性，使其在高速行駛時更加穩(wěn)定，又能減小其在高速行駛時的空氣噪聲，對提升產(chǎn)品質(zhì)量以及核心競爭力有著重要意義。

目前國內(nèi)外對于輕型卡車外流場優(yōu)化的研究極少，一方面是由于對于輕卡外流場優(yōu)化的不重視，另一方面也是因為輕卡駕駛室流場與尾箱流場相互作用，導(dǎo)致其周圍流場分布十分復(fù)雜，研究難度較大。

5 結(jié)論

（1）通過對輕卡外流場的數(shù)值模擬計算，分析了其外流場特性和氣動阻力產(chǎn)生原因，而貨箱造型對整車氣動阻力影響很大。

（2）將貨箱高度和貨箱與駕駛艙距離定義為設(shè)計變量，通過實驗設(shè)計選取樣本點建立響應(yīng)面模型并進行優(yōu)化，其精度較高，可以替代實際模型的仿真計算分析，提高計算效率。

（3）對于使氣動阻力系數(shù)最小的目標來說，貨箱的高度越小越好，在滿足使用設(shè)計要求的前提下，應(yīng)盡可能降低其高度。而對于貨箱與駕駛艙之間的距離，則需要保持一定的間隙。

參考文獻：

[1]宋小文，胡樹根，張偉.圓頂車廂載貨車外流場數(shù)值模擬及附加裝置優(yōu)化設(shè)計[J].汽車工程.2007，29（9）：796-799.

[2]楊永柏，王靖宇，胡興軍.皮卡車外流場的數(shù)值模擬[J].吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版）.2007，37（6）：1236-1241.

[3]熊超強，臧孟炎，范秦寅.低阻力汽車外流場的數(shù)值模擬及其誤差分析[J].汽車工程.2012，34（1）： 36-45.

[4]楊勝，張揚軍，涂尚榮，等汽車外部復(fù)雜流場計算的湍流模型比較[J].汽車工程.2003，25（4）：322-325.

[5]鐘毅芳，陳柏鴻. 多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計原理與方法[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.

[6]鄧乾旺，文文.基于拉丁超立方抽樣的薄板裝配誤差分析[J].中國機械工程.2012.23（8）： 947-951.

[7]陳立周.穩(wěn)健設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[8]王海亮，林忠欽，金先龍.基于響應(yīng)面模型的薄壁構(gòu)件耐撞性優(yōu)化設(shè)計[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報.2003.20（3）：61-65.

[9]韓明紅，鄧家禔.面向工程的優(yōu)化算法性能實驗研究[J].中國機械工程.2007，18（12）：1460-1464.endprint

摘 要：對某輕卡進行外流場的數(shù)值模擬，通過對模型的流場特性的分析，研究氣動阻力產(chǎn)生的主要原因。將車廂高度和車廂與駕駛艙距離作為兩個影響因子，采用拉丁超立方設(shè)計方法和最小二乘法創(chuàng)建二階響應(yīng)面模型，利用混合整型優(yōu)化法進行參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化后與原型設(shè)計相比，整車氣動阻力明顯減小，表明該方法能有效地提高整車空氣動力學(xué)性能和CFD優(yōu)化效率。

關(guān)鍵詞：輕卡；數(shù)值模擬；氣動阻力；性能優(yōu)化

中圖分類號：U461.1 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2014）03-0024-06

Numerical Simulation on the Exterior Field of a Light Truck and Optimization Design of its Goods Carriage

CHENG Hua-yang ， XUE Tie-long， ZHANG Dai-sheng

（School of Mechanical and Automotive Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009，China）

Abstract： A 3D numerical simulation on the exterior field of a light truck is conducted. By analyzing the flow field characteristics of the model， the main causes of its aerodynamic drag are studied. The height of the goods carriage and the distance between goods carriage and cab are used as two factors of influence. The Optimal Latin hypercube design method and the least squares method are used to create a second-order response surface model. The Multifunction Optimization System Tool method is used for parameter optimization. Compared with the origin design， The aerodynamic drag is reduced obviously. The results indicates that the method can improve the vehicle aerodynamic performance and the optimization efficiency of CFD effectively.

輕卡是指車型分類中的載貨車中最大設(shè)計總質(zhì)量不大于3.5噸的車型，其于上世紀九十年代進入快速發(fā)展時期，產(chǎn)量和產(chǎn)品品質(zhì)不斷提高，出口數(shù)量不斷增加，我國現(xiàn)已成為輕型卡車制造大國。但是在產(chǎn)品銷量快速增長的同時，中國輕卡自身的質(zhì)量問題也逐漸凸顯，產(chǎn)品的技術(shù)含量和競爭力不夠充分，其燃油經(jīng)濟型、發(fā)動機性能、制動系統(tǒng)、排放、噪聲問題十分明顯和普遍。而對輕卡的外流場進行優(yōu)化，既能減小其行駛空氣阻力，提高燃油經(jīng)濟性，使其在高速行駛時更加穩(wěn)定，又能減小其在高速行駛時的空氣噪聲，對提升產(chǎn)品質(zhì)量以及核心競爭力有著重要意義。

目前國內(nèi)外對于輕型卡車外流場優(yōu)化的研究極少，一方面是由于對于輕卡外流場優(yōu)化的不重視，另一方面也是因為輕卡駕駛室流場與尾箱流場相互作用，導(dǎo)致其周圍流場分布十分復(fù)雜，研究難度較大。

5 結(jié)論

（1）通過對輕卡外流場的數(shù)值模擬計算，分析了其外流場特性和氣動阻力產(chǎn)生原因，而貨箱造型對整車氣動阻力影響很大。

（2）將貨箱高度和貨箱與駕駛艙距離定義為設(shè)計變量，通過實驗設(shè)計選取樣本點建立響應(yīng)面模型并進行優(yōu)化，其精度較高，可以替代實際模型的仿真計算分析，提高計算效率。

（3）對于使氣動阻力系數(shù)最小的目標來說，貨箱的高度越小越好，在滿足使用設(shè)計要求的前提下，應(yīng)盡可能降低其高度。而對于貨箱與駕駛艙之間的距離，則需要保持一定的間隙。

參考文獻：

[1]宋小文，胡樹根，張偉.圓頂車廂載貨車外流場數(shù)值模擬及附加裝置優(yōu)化設(shè)計[J].汽車工程.2007，29（9）：796-799.

[2]楊永柏，王靖宇，胡興軍.皮卡車外流場的數(shù)值模擬[J].吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版）.2007，37（6）：1236-1241.

[3]熊超強，臧孟炎，范秦寅.低阻力汽車外流場的數(shù)值模擬及其誤差分析[J].汽車工程.2012，34（1）： 36-45.

[4]楊勝，張揚軍，涂尚榮，等汽車外部復(fù)雜流場計算的湍流模型比較[J].汽車工程.2003，25（4）：322-325.

[5]鐘毅芳，陳柏鴻. 多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計原理與方法[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.

[6]鄧乾旺，文文.基于拉丁超立方抽樣的薄板裝配誤差分析[J].中國機械工程.2012.23（8）： 947-951.

[7]陳立周.穩(wěn)健設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[8]王海亮，林忠欽，金先龍.基于響應(yīng)面模型的薄壁構(gòu)件耐撞性優(yōu)化設(shè)計[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報.2003.20（3）：61-65.

[9]韓明紅，鄧家禔.面向工程的優(yōu)化算法性能實驗研究[J].中國機械工程.2007，18（12）：1460-1464.endprint

摘 要：對某輕卡進行外流場的數(shù)值模擬，通過對模型的流場特性的分析，研究氣動阻力產(chǎn)生的主要原因。將車廂高度和車廂與駕駛艙距離作為兩個影響因子，采用拉丁超立方設(shè)計方法和最小二乘法創(chuàng)建二階響應(yīng)面模型，利用混合整型優(yōu)化法進行參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化后與原型設(shè)計相比，整車氣動阻力明顯減小，表明該方法能有效地提高整車空氣動力學(xué)性能和CFD優(yōu)化效率。

關(guān)鍵詞：輕卡；數(shù)值模擬；氣動阻力；性能優(yōu)化

中圖分類號：U461.1 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2014）03-0024-06

Numerical Simulation on the Exterior Field of a Light Truck and Optimization Design of its Goods Carriage

CHENG Hua-yang ， XUE Tie-long， ZHANG Dai-sheng

（School of Mechanical and Automotive Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009，China）

Abstract： A 3D numerical simulation on the exterior field of a light truck is conducted. By analyzing the flow field characteristics of the model， the main causes of its aerodynamic drag are studied. The height of the goods carriage and the distance between goods carriage and cab are used as two factors of influence. The Optimal Latin hypercube design method and the least squares method are used to create a second-order response surface model. The Multifunction Optimization System Tool method is used for parameter optimization. Compared with the origin design， The aerodynamic drag is reduced obviously. The results indicates that the method can improve the vehicle aerodynamic performance and the optimization efficiency of CFD effectively.

輕卡是指車型分類中的載貨車中最大設(shè)計總質(zhì)量不大于3.5噸的車型，其于上世紀九十年代進入快速發(fā)展時期，產(chǎn)量和產(chǎn)品品質(zhì)不斷提高，出口數(shù)量不斷增加，我國現(xiàn)已成為輕型卡車制造大國。但是在產(chǎn)品銷量快速增長的同時，中國輕卡自身的質(zhì)量問題也逐漸凸顯，產(chǎn)品的技術(shù)含量和競爭力不夠充分，其燃油經(jīng)濟型、發(fā)動機性能、制動系統(tǒng)、排放、噪聲問題十分明顯和普遍。而對輕卡的外流場進行優(yōu)化，既能減小其行駛空氣阻力，提高燃油經(jīng)濟性，使其在高速行駛時更加穩(wěn)定，又能減小其在高速行駛時的空氣噪聲，對提升產(chǎn)品質(zhì)量以及核心競爭力有著重要意義。

目前國內(nèi)外對于輕型卡車外流場優(yōu)化的研究極少，一方面是由于對于輕卡外流場優(yōu)化的不重視，另一方面也是因為輕卡駕駛室流場與尾箱流場相互作用，導(dǎo)致其周圍流場分布十分復(fù)雜，研究難度較大。

5 結(jié)論

（1）通過對輕卡外流場的數(shù)值模擬計算，分析了其外流場特性和氣動阻力產(chǎn)生原因，而貨箱造型對整車氣動阻力影響很大。

（2）將貨箱高度和貨箱與駕駛艙距離定義為設(shè)計變量，通過實驗設(shè)計選取樣本點建立響應(yīng)面模型并進行優(yōu)化，其精度較高，可以替代實際模型的仿真計算分析，提高計算效率。

（3）對于使氣動阻力系數(shù)最小的目標來說，貨箱的高度越小越好，在滿足使用設(shè)計要求的前提下，應(yīng)盡可能降低其高度。而對于貨箱與駕駛艙之間的距離，則需要保持一定的間隙。

參考文獻：

[1]宋小文，胡樹根，張偉.圓頂車廂載貨車外流場數(shù)值模擬及附加裝置優(yōu)化設(shè)計[J].汽車工程.2007，29（9）：796-799.

[2]楊永柏，王靖宇，胡興軍.皮卡車外流場的數(shù)值模擬[J].吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版）.2007，37（6）：1236-1241.

[3]熊超強，臧孟炎，范秦寅.低阻力汽車外流場的數(shù)值模擬及其誤差分析[J].汽車工程.2012，34（1）： 36-45.

[4]楊勝，張揚軍，涂尚榮，等汽車外部復(fù)雜流場計算的湍流模型比較[J].汽車工程.2003，25（4）：322-325.

[5]鐘毅芳，陳柏鴻. 多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計原理與方法[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.

[6]鄧乾旺，文文.基于拉丁超立方抽樣的薄板裝配誤差分析[J].中國機械工程.2012.23（8）： 947-951.

[7]陳立周.穩(wěn)健設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[8]王海亮，林忠欽，金先龍.基于響應(yīng)面模型的薄壁構(gòu)件耐撞性優(yōu)化設(shè)計[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報.2003.20（3）：61-65.

[9]韓明紅，鄧家禔.面向工程的優(yōu)化算法性能實驗研究[J].中國機械工程.2007，18（12）：1460-1464.endprint