基于空氣動(dòng)力學(xué)的車身設(shè)計(jì)方法

許江

摘 要：文章簡要的闡述了基于汽車空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的方法，未來汽車外形設(shè)計(jì)所具有的特點(diǎn)，以及現(xiàn)如今車身設(shè)計(jì)方面所遇到的優(yōu)化隨機(jī)性、盲目性等問題，并提出一種采用數(shù)學(xué)的迭代思維輔以計(jì)算機(jī)編程的方法，在一定程度上解決了該問題。

關(guān)鍵詞：空氣動(dòng)力學(xué)；車身設(shè)計(jì)；迭代思維

引言

汽車已成為世界上最普遍的交通工具，在人們生活中不可或缺，中國成為世界上汽車保有量最大的國家，但隨之而來的問題就是汽車的尾氣污染，汽車的耗油等問題。此時(shí)空氣動(dòng)力學(xué)在汽車上的應(yīng)用就顯得尤為重要。通過CFD軟件對汽車進(jìn)行氣動(dòng)阻力分析，可以有效地調(diào)整汽車的外形設(shè)計(jì)，從而達(dá)到減小啟動(dòng)阻力系數(shù)的目的。雖然每次的外形改變影響的阻力系數(shù)很少，但對于汽車保有量巨大的中國來說，降低的油耗是很可觀的，并且可以提高汽車加速度和最大行駛速度。如今的汽車造型設(shè)計(jì)師不僅需要空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)，而且還必須有高雅的藝術(shù)品位和豐富的藝術(shù)知識(shí)。本文就從汽車造型的優(yōu)化著手來說明空氣動(dòng)力學(xué)對汽車的影響.

1汽車造型設(shè)計(jì)的方法

1.1局部最優(yōu)化方法

基本思路是在滿足功能、功能、工藝學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、安全法規(guī)以及美學(xué)造型等方面的要求下設(shè)計(jì)出汽車車身造型，然后進(jìn)行空氣設(shè)計(jì)程序，即在汽車空氣動(dòng)力學(xué)家的參與下，對原有車型細(xì)部如圓角半徑、曲面弧度、斜度等進(jìn)行少量局部的修改，或者加裝擾流器、尾翼等氣動(dòng)部件與裝置，一是啟動(dòng)降低，流態(tài)更加穩(wěn)定更趨合理。此方法的優(yōu)點(diǎn)是：操作簡單，在流線型較差的車上有較好的效果。尤其是在目前的CFD仿真上成為國內(nèi)外汽車空氣動(dòng)力學(xué)分析的重要手段。通過對原始模型仿真，從結(jié)果中得出某細(xì)節(jié)修改的模型，再重新進(jìn)行仿真分析。像這樣循環(huán)反復(fù)，最終達(dá)到自己預(yù)期的目標(biāo)。這種方法在現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中運(yùn)用廣泛。

1.2整體最優(yōu)化

整體最優(yōu)化是基于空氣動(dòng)力學(xué)原理，在汽車造型設(shè)計(jì)初期獲得極佳的氣動(dòng)特性的理想外形，接著再根據(jù)功能結(jié)構(gòu)需求，調(diào)整集合的局部外形，使其滿足人機(jī)工程學(xué)、國家安全法規(guī)等各個(gè)必要因素的汽車[1]。所以，對于這種汽車的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，初期的理想外形就顯得格外重要。該方法從最初就把汽車外形的空氣動(dòng)力學(xué)性能放在第一位，全車身的整體造型呈流線型，這就對設(shè)計(jì)師提出了很高的要求。而在國內(nèi)車企的設(shè)計(jì)中，車身設(shè)計(jì)大體完成后再開始考慮整體氣動(dòng)性能，因此，此種方法在實(shí)際應(yīng)用中并不多見。

1.3仿生學(xué)在汽車造型中的應(yīng)用

仿生學(xué)是對生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理，形狀及行為進(jìn)行研究，并將這一特點(diǎn)用用于工程實(shí)踐中的一門學(xué)科，是一種基于生命科學(xué)、工程技術(shù)、物質(zhì)科學(xué)等領(lǐng)域的綜合性學(xué)科。在生活的其他領(lǐng)域，仿生學(xué)已經(jīng)被廣泛的運(yùn)用[2]。在汽車設(shè)計(jì)的初期，仿生學(xué)就開始被運(yùn)用在造型設(shè)計(jì)之中。例如最初仿造的水滴形狀，甲殼蟲形汽車，魚形汽車。[29]所以仿生學(xué)是一門滲透性很強(qiáng)的學(xué)科，可以和現(xiàn)如今很多其他學(xué)和相互融合，并應(yīng)用到其中，給人們帶來意想不到的結(jié)果.非光滑表面的減阻原理在汽車上的可行性試驗(yàn)已經(jīng)有了較好的模型分析，并證明了其有一定的減阻效果[3]。這種減阻方法，不僅不會(huì)給使用帶倆附加設(shè)備或額外能量消耗及空間占用，僅依靠直接改變壁面形狀就能產(chǎn)生減阻效果。如果真正能將其應(yīng)用到汽車及其它實(shí)際生活中，將會(huì)有很大的發(fā)展。

2汽車造型設(shè)計(jì)中的問題

2.1造型優(yōu)化設(shè)計(jì)之間中的沖突

局部最優(yōu)化設(shè)計(jì)之間可能會(huì)有沖突問題。在局部最優(yōu)化設(shè)計(jì)中常常單獨(dú)分析模擬要優(yōu)化設(shè)計(jì)的部分以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。但實(shí)際上汽車在行駛的過程中各部分的流場是一個(gè)整體相互影響。當(dāng)兩個(gè)單獨(dú)模擬證明有效的設(shè)計(jì)方案應(yīng)用在同一車型中，可能會(huì)有副作用，產(chǎn)生人力物力無謂的浪費(fèi)。

2.2造型優(yōu)化設(shè)計(jì)的盲目性

在局部最優(yōu)化設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)往往選取某些細(xì)節(jié)進(jìn)行模擬分析以達(dá)到優(yōu)化效果。但是對這些細(xì)節(jié)的選取是重中之重。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，汽車的總體外形已經(jīng)初步成型，留給細(xì)節(jié)優(yōu)化的空間其實(shí)已經(jīng)很小。

3解決方案

基于迭代思想的造型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法步驟如下：通過CFD軟件模擬出原始車型的氣動(dòng)阻力系數(shù)，列出所需要進(jìn)行局部優(yōu)化的部分，開始改動(dòng)第一個(gè)局部，若通過優(yōu)化找到最佳設(shè)計(jì)則進(jìn)行第四步，以第三步優(yōu)化的模型為基礎(chǔ)處，進(jìn)行下一個(gè)局部的優(yōu)化設(shè)計(jì)以此類推，直到所有局部優(yōu)化完成并獲得較好的減阻效果。通過這種不斷的迭代求解，從而期望得到一個(gè)全局最優(yōu)解。

5結(jié)論

經(jīng)過以上討論分析我們可以得出以下結(jié)論：空氣動(dòng)力學(xué)在汽車上的運(yùn)用會(huì)越來與廣泛，將會(huì)結(jié)合仿生學(xué)等其他學(xué)科對汽車的外形進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，以前空氣動(dòng)力學(xué)在造型上的很多限制將會(huì)消失，更具美感和氣動(dòng)性能的汽車將會(huì)出現(xiàn)。數(shù)學(xué)方法的更新將會(huì)影響汽車外形設(shè)計(jì)與改進(jìn)所需要的時(shí)間精力，外形優(yōu)化會(huì)避免盲目性、隨機(jī)性。

參考文獻(xiàn)

[1]ChengChunZhang.RenLuquan.LiuQingping.VonJiabo.QinYongming.Spinintobionicconcavesurfacetoreduceresistancetest[J]airdynamicsof2008（1）.

[2]RenLuquan.ZhuoJunYang.HanZhiwu.RenLuquan.YangZhuojuan.HanZhiwubiologicalnonsmoothsurfacewearbionicapplicationprospect[J]Journal ofagriculturalmachinery2005，36（7）.

[3]WuJun.Studyontheaerodynamiccharacteristicsofthevehicleoutflowfieldturbu lencemodelandthenewconceptvehicle：HunanUniversity，Changsha：HunanUni -versity，2006，23-30.