某款汽車尾翼的結構設計與優(yōu)化

劉慷慷，李福洋，郭巍

（武漢理工大學汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

某款汽車尾翼的結構設計與優(yōu)化

劉慷慷，李福洋，郭巍*

（武漢理工大學汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

我國汽車的保有量增加對汽車的行駛穩(wěn)定性提出了更高的要求。尾翼的安裝會顯著改變汽車的氣動特性，影響汽車的燃油經(jīng)濟性、操控穩(wěn)定性等性能,但國內很多汽車尾翼的安裝只是為了外觀要求，安裝的不合理甚至會降低整車的性能。文章中尾翼及整車的氣動特性研究采用仿真手段。首先，運用三維畫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，實現(xiàn)模型、網(wǎng)格及數(shù)值計算的自動化；其次，用Altair Hyperworks軟件分析在在一定行駛條件下，尾翼的強度及變形情況；第三，用fluent進行流體分析，并基于近似模型進行相應優(yōu)化；最后對優(yōu)化結果進行分析，得到尾翼的最佳參數(shù)。文章進行汽車尾翼的相關研究，一方面為尾翼的設計、安裝提供一定的參考，另一方面為減少汽車流體阻力來進行汽車氣動特性優(yōu)化分析。

汽車尾翼；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

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

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

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

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方向為來流方向，總長為3.95m，其中翼型前緣距離進口的距離為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。

進口邊界命名為 inlet，出口為 outlet，地面為 ground，壁面為計算域側面和頂面，命名為 wall。

計算域內體網(wǎng)格類型是四面體網(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。

數(shù)值計算選擇基于壓力求解器，模型選擇為Viscous-SST k-omega。邊界條件設置如下：inlet 為速度進口，進口速度為 30m/s；outlet 為壓力出口；ground 為移動壁面，移動速度與進口處來流速度相同；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）進行中面抽取，實現(xiàn)三維實體到幾何面的轉化。

圖2 對實體零件抽取中面

1.3.2 2D網(wǎng)格單元劃分

考慮到尾翼各個部件的結構較為簡單，形狀較為規(guī)范，只要用自動網(wǎng)格劃分（Automeshing）即可實現(xiàn)網(wǎng)格的劃分，單元尺寸選擇原則要保證整體單元質量合格，可以減少后續(xù)的單元質量檢查與編輯的工作量，同時盡量減少單元總量，提高計算效率。

圖3 2D網(wǎng)格的自動化分

圖4 2D單元質量檢查面板

1.3.3 數(shù)值模擬

構成設計的數(shù)學模型包括目標函數(shù)、約束條件。翼型的導流板承受載荷，翼型的支架固定，六個方向的自由度設為零，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，且變形和應力主要看導流板的情況，故令加載在其載荷為零[6]。導流板的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物體迎風面積，為0.192m2；V為物體與空氣的相對運動速度，為30m/s），magnitud 大小與施加壓力大小的百分比，設置為100000%。

2、結果分析

2.1 流體結果分析

2.1.1 不同尾翼攻角升力、阻力的綜合分析

通過對不同攻角的尾翼進行分析得到如下數(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，下圖為本實驗選取的攻角下為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，翼型前緣上側處為駐點位置，此處壓力達到最大，同時速度最小；從駐點沿翼型上側向后，由于存在正壓力梯度，流動速度逐漸增大，壓力逐漸減小；從駐點沿翼型下側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，因此前緣下側位置流動速度達到最大；在翼型下側后端，壓力梯度變?yōu)樨撝?，即壓力由最小值逐漸恢復，因此流動速度減小。

2.1.2 對于某一點的受力進行說明

在模型中選取五個點分別進行壓力、速度分析。

圖8 模型選點說明

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

圖9 A、B、C三點的速度（m/s）分析

圖10 D、E兩點壓力(N)分析（力的方向往下為正）

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

2.2 尾翼應力結果分析

2.2.1 不同尾翼攻角綜合分析

表2 不同攻角的應力和尾翼

圖11 不同尾翼攻角的應力、位移變形圖

從圖10可以看出，應力大的尾翼其對應位移變形也大。由上圖可以看出，-10.28°的尾翼其應力最小，變形量最小，故其強度最好。

不同攻角下的尾翼應力和位移不同，下圖為本實驗選取的攻角下為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，變形最大的是導流板和腹板的中部。導流板最大的位移為0.313mm，腹板最大的位移是0.22mm。導流板受到的變形是向后的，腹板受到的變形是向上的，說明尾翼在受到正面的風力時翼型中部受到的載荷最大，可以在中間設置一塊肋板來減輕這種變形。由位移云圖可以看出，變形最大的是導流板和腹板的中部。

圖13 攻角為2.28°的應力云圖

應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足強度和剛度性能要求。

2.2.2 相同攻角尾翼的特殊點應力和位移比較

綜合的尾翼壓力、位移變形圖說明整個尾翼的受力情況，不同攻角尾翼對應不同的點的受力情況對分析行駛過程中的汽車尾翼具有重要意義。

圖14 不同尾翼攻角的導流板縱向取點變形比較（取點從頂部到底部）

圖15 不同尾翼攻角的導流板橫向取點變形比較（從中間到兩側）

由圖13、14可以看出，不同的尾翼攻角不同的點，其變形量也不同。在導流板縱向取點變形比較中，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，對應的應力也最大；在導流板橫向取點變形比較中，取的點越靠近導流板中部變形量越大，在-10.28°的尾翼攻角其變形量最小，對應的應力也最小。

3、結論

汽車尾翼的安裝能夠顯著影響汽車的空氣動力學特性，從而改善汽車性能尤其是高速操縱穩(wěn)定性。汽車尾翼以及其他空氣動力學裝置已經(jīng)普遍適用于超級跑車和賽車。汽車尾翼的數(shù)值計算方法的集成優(yōu)化研究能夠有效減小數(shù)值計算計算量縮短優(yōu)化周期，同時可以為風洞試驗提供初始尾翼位置和尾翼的變化范圍，對于工程應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，對單獨翼型進行了模擬計算與分析。首先基于HyperWorks對翼型進行強度分析與校核；其次采用數(shù)值計算集成方法對單獨翼型研究翼型攻角對翼型阻力系數(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尾翼性能的影響；最后通過數(shù)值計算得到了尾翼攻角對整車氣動特性的影響。通過上述研究得到了以下結論：

（1）翼型攻角對翼型阻力系數(shù)和升力系數(shù)有較大的影響?？傮w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)減小的速率逐漸變小；翼型的升力系數(shù)先逐漸變大，而后又逐漸減小，再逐漸變大。

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

（3）尾翼的安裝能夠有效影響其旁邊的空氣流速。在設計空間內，可以通過改變尾翼安裝參數(shù)，控制尾翼周圍的空氣流速，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.某跑車尾翼外形變化對氣動升力影響的仿真分析.北京理工大學學報,2013.3：248-252.

[2] 容江磊,谷正氣等.基于Kriging模型的跑車尾翼斷面形狀的氣動優(yōu)化.中國機械工程.2011.1.

[3] 范慶明,曹巖等.基于iSIGHT平臺翼型氣動優(yōu)化CAD/CFD集成技術研究.機械設計與制造.2011.8.

[4] 付強. 轎車尾翼間距和攻角的數(shù)值風洞研究.長春:吉林大學. 2007.

[5] 鄭力銘.ANSYS Fluent 15.0 流體計算從入門到精通,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構優(yōu)化設計.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汽車工程學院。

郭巍*，講師，就職于武漢理工大學汽車工程學院。研究方向：汽車輕量化?；痦椖浚禾祭w維汽車尾翼結構設計與優(yōu)化(20151049707002)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.030