空氣動(dòng)力學(xué)在汽車造型設(shè)計(jì)中的研究與應(yīng)用

文/王洪正 李曉峰（江淮汽車集團(tuán)股份有限公司）

一、風(fēng)阻對(duì)汽車能耗的影響

風(fēng)阻系數(shù)是衡量汽車空氣動(dòng)力學(xué)的一個(gè)重要指標(biāo)，風(fēng)阻系數(shù)越小，汽車的空氣動(dòng)力學(xué)特征越優(yōu)越，正面迎來的氣流也就越容易掠過車身，整個(gè)過程平滑自然。因此，降低汽車風(fēng)阻系數(shù)是節(jié)省燃料的重要措施。相關(guān)研究表明，風(fēng)阻系數(shù)每減小1%，整車油耗節(jié)約約0.03L/100km；風(fēng)阻系數(shù)每減小5%，NEDC油耗降低約1%。因此，可以通過對(duì)造型、發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置等方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)降低風(fēng)阻，從而達(dá)到降低整車油耗的目的。

在汽車風(fēng)阻中，可以看出外形阻力對(duì)風(fēng)阻的影響占58%，所以，從造型入手研究汽車空氣動(dòng)力學(xué)，對(duì)于降低風(fēng)阻和整車油耗非常有意義。

二、空氣動(dòng)力學(xué)在汽車造型設(shè)計(jì)中的研究現(xiàn)狀

1.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)空氣動(dòng)力學(xué)在汽車造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用尚在起步階段，而國外大型車企早已經(jīng)將空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)體現(xiàn)在其各個(gè)級(jí)別的車型中。為了克服風(fēng)阻，設(shè)計(jì)師將車身設(shè)計(jì)得趨向圓滑，從車頭到車頂間的曲線也越來越自然，更容易突破迎面氣流的阻礙。

2.本企業(yè)研究現(xiàn)狀

江淮汽車目前車型的風(fēng)阻系數(shù)不盡如人意，在空氣阻力設(shè)計(jì)方面有較大的提升空間。企業(yè)的空氣阻力設(shè)計(jì)方面經(jīng)驗(yàn)欠缺，表現(xiàn)在CFD模擬分析方法不成熟，分析精度低；風(fēng)洞試驗(yàn)未曾涉及，缺乏試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)；尚未建立相關(guān)設(shè)計(jì)流程，缺乏設(shè)計(jì)思路。

三、造型設(shè)計(jì)與空氣動(dòng)力學(xué)理論研究

1.汽車空氣動(dòng)力學(xué)與汽車性能

汽車空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)與汽車性能主要體現(xiàn)在使用性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、舒適性等方面,如圖1所示。汽車空氣動(dòng)力特性對(duì)汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性和舒適性有重要影響，設(shè)計(jì)空氣動(dòng)力特性良好的汽車，是提高汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的重要途徑，而高速汽車的空氣動(dòng)力穩(wěn)定性是汽車高速、安全行駛的前提。改善駕駛室的內(nèi)流特性，在減阻的同時(shí)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器部件的效能，降低空氣動(dòng)力噪聲，則是保障舒適性的前提。

圖1 汽車空氣動(dòng)力學(xué)與汽車性能

2.汽車空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)程序

對(duì)汽車基本外形，在其設(shè)計(jì)初期要進(jìn)行空氣動(dòng)力特性估算，并對(duì)與空氣動(dòng)力特性相關(guān)的各種性能諸如動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻特性、空調(diào)性能、氣動(dòng)噪聲等進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)問題時(shí)對(duì)造型圖進(jìn)行反復(fù)修改。外形設(shè)計(jì)主要考慮駕駛室是否有足夠的空間；進(jìn)行車身前端與后部形狀、發(fā)動(dòng)機(jī)罩的傾斜、前風(fēng)窗的傾斜、后端的傾斜、基本外形等汽車外形設(shè)計(jì)；考慮安全法規(guī)的要求；確定車長、車高、軸距等外形尺寸，在確保乘員空間的前提下，在可能限度內(nèi)盡量縮短車身總長；發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系與冷卻格柵的設(shè)計(jì)[1]。

完成了汽車造型設(shè)計(jì)后，對(duì)于全新的設(shè)計(jì)，未知的問題還很多。首先應(yīng)進(jìn)行汽車性能的估算，但僅僅根據(jù)估算法還不能充分地分析汽車的性能，應(yīng)制作概念車模型，反復(fù)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，以開發(fā)出優(yōu)質(zhì)車。為縮短試驗(yàn)時(shí)間、節(jié)省費(fèi)用，應(yīng)根據(jù)大量的估算數(shù)據(jù)進(jìn)行汽車空氣動(dòng)力特性分析，減少模型的制作個(gè)數(shù)。經(jīng)過模型風(fēng)洞試驗(yàn)確定了最佳氣動(dòng)外形后，再進(jìn)行樣車試制、氣動(dòng)特性的確認(rèn)試驗(yàn)。性能試驗(yàn)確認(rèn)樣車合乎要求后，就可以進(jìn)行樣車試制。

四、汽車造型降風(fēng)阻優(yōu)化設(shè)計(jì)模型構(gòu)建

1.造型設(shè)計(jì)與風(fēng)阻優(yōu)化

汽車的造型設(shè)計(jì)與降風(fēng)阻關(guān)系密切。如果造型設(shè)計(jì)階段能夠有效降低風(fēng)阻，并不需要增加制造成本就可以產(chǎn)生節(jié)油的收益；反之，增大的油耗成本將影響汽車的整個(gè)使用周期。因此在造型階段，造型設(shè)計(jì)師和空氣動(dòng)力學(xué)工程師必須緊密合作[2]。

汽車的氣動(dòng)阻力包括壓差阻力和摩擦阻力，以壓差阻力為主，因此汽車的降風(fēng)阻重點(diǎn)在于壓差阻力。細(xì)分風(fēng)阻的來源有車身上部；車身下部，包括車輪、輪轂罩等；車外突出物，如后視鏡等；發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻氣流；空調(diào)與通風(fēng)氣流；零部件通風(fēng)，如剎車?yán)鋮s氣流等。其中前三項(xiàng)為外流阻力，后三項(xiàng)為內(nèi)流阻力。

降風(fēng)阻造型優(yōu)化設(shè)計(jì)以外型優(yōu)化和局部優(yōu)化兩種方式為主，對(duì)應(yīng)于國內(nèi)通常所說的平臺(tái)車型開發(fā)和改款開發(fā)。平臺(tái)車型開發(fā)給造型設(shè)計(jì)提供較大的自由度，空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)可從造型開始，針對(duì)外型優(yōu)化；改款開發(fā)基于已有的車型，外型優(yōu)化自由度很小，只能局部改動(dòng)增加降阻部件，以局部優(yōu)化為主。

有許多車身設(shè)計(jì)參數(shù)的微小改變有助于減小風(fēng)阻，而這些局部微小的改動(dòng)并不影響造型設(shè)計(jì)風(fēng)格，這類氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)措施，稱為局部優(yōu)化。局部優(yōu)化一般是從已有的車型設(shè)計(jì)出發(fā)，逐步降低風(fēng)阻，通常不改變?cè)煨停欢诰唧w設(shè)計(jì)過程中卻會(huì)出現(xiàn)不得不改變?cè)煨偷那闆r，例如從硬朗的棱角到圓弧，造型轉(zhuǎn)向柔和。與之對(duì)應(yīng)的外形優(yōu)化，一般從滿足空間需求的某一個(gè)低阻力的基本型開始進(jìn)行優(yōu)化。

2.汽車造型降風(fēng)阻設(shè)計(jì)流程

在汽車設(shè)計(jì)流程中，降風(fēng)阻設(shè)計(jì)伴隨著整個(gè)開發(fā)流程。圖2為汽車開發(fā)設(shè)計(jì)過程中嵌入的降風(fēng)阻研發(fā)工作，分為五個(gè)階段。

預(yù)研前期：規(guī)劃風(fēng)阻，評(píng)估概念方案的風(fēng)阻，定位市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)位置。

圖2 嵌入在汽車開發(fā)流程中的降風(fēng)阻設(shè)計(jì)流程

概念設(shè)計(jì)：造型（氣動(dòng)外型）優(yōu)化，規(guī)劃氣流管理，預(yù)測(cè)實(shí)車的風(fēng)阻數(shù)值。

車身設(shè)計(jì)：進(jìn)一步完成上一階段的工作，并推進(jìn)實(shí)車風(fēng)阻數(shù)值的準(zhǔn)確度；集中進(jìn)行局部氣動(dòng)優(yōu)化，確定零部件的設(shè)計(jì)方向；驗(yàn)證評(píng)估凍結(jié)方案的氣動(dòng)性能。

性能開發(fā)：根據(jù)動(dòng)力性能、燃油經(jīng)濟(jì)性、舒適性、安全性、耐久可靠性等進(jìn)行降風(fēng)阻設(shè)計(jì)流程的設(shè)計(jì)和完善。

量產(chǎn)售后：驗(yàn)證風(fēng)阻數(shù)值，協(xié)助評(píng)估制造質(zhì)量的一致性，充實(shí)企業(yè)自主設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫。

3.降風(fēng)阻的設(shè)計(jì)方法

降風(fēng)阻設(shè)計(jì)的方法是多部門、多學(xué)科協(xié)作建立起來的。圖3所示是最基本的、也是最有效的分析方法。

幾何分析：從形狀入手，通過橫向?qū)Ρ群蜌鈩?dòng)概念的基本分析，確定造型氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的趨勢(shì)性方向，如尺寸比例、面的角度、邊的弧度、局部細(xì)節(jié)等。

流動(dòng)分析：分析車身周圍的氣流邊界層和流動(dòng)分離，分析表面壓力分布趨勢(shì)，與幾何分析相配合，進(jìn)一步確定造型氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的趨勢(shì)性方向。

氣動(dòng)力分析：分析汽車整體的氣動(dòng)力。

性能分析：利用油耗、最大車速計(jì)算分析程序評(píng)估氣動(dòng)性能。

圖3 降風(fēng)阻設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方法

五、空氣動(dòng)力學(xué)在汽車造型設(shè)計(jì)中的運(yùn)用實(shí)例驗(yàn)證

1.和悅A30驗(yàn)證

為滿足更低油耗、更節(jié)能環(huán)保的汽車法規(guī)要求，汽車主機(jī)廠在眾多技術(shù)方向開展“減阻力、降油耗”的研究，其中包括以“降風(fēng)阻”為目標(biāo)的“造型氣動(dòng)優(yōu)化”研究。和悅A30是一款自主轎車代表車型，結(jié)合該車型的改進(jìn)造型設(shè)計(jì)，嘗試開展了一系列的氣動(dòng)阻力優(yōu)化分析和測(cè)試驗(yàn)證工作。

和悅A30整備質(zhì)量1110kg，滿載質(zhì)量1410kg，綜合油耗5.9L/100km，用戶油耗6.4～7.8L/100km。整個(gè)風(fēng)阻測(cè)試過程利用同濟(jì)大學(xué)汽車風(fēng)洞共進(jìn)行了三輪氣動(dòng)力測(cè)試：第一輪是氣動(dòng)性能參數(shù)摸底，經(jīng)過CFD反復(fù)分析測(cè)試風(fēng)阻系數(shù)為0.345；第二輪是降風(fēng)阻優(yōu)化方案驗(yàn)證；第三輪是降風(fēng)阻優(yōu)化方案驗(yàn)證。

以第二輪降風(fēng)阻優(yōu)化方案驗(yàn)證為例，此輪優(yōu)化以加裝“氣動(dòng)套件”思路為主，兼顧造型的變化。增加封堵部分格柵、前輪擋板、封發(fā)艙兩側(cè)底部、更改輪罩造型等方式，如圖4所示，經(jīng)過CFD分析和實(shí)際風(fēng)洞試驗(yàn)，最終風(fēng)阻系數(shù)為0.321，降低了7%。

圖4 A30轎車CFD分析

2.瑞風(fēng)M4驗(yàn)證

對(duì)瑞風(fēng)M4進(jìn)行了氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，各方案累加最佳效果能降低風(fēng)阻9.3%。在風(fēng)洞試驗(yàn)中進(jìn)行了方案的驗(yàn)證工作，最佳組合方案能降低風(fēng)阻系數(shù)7.2%（其中增加底部平整化方案能降低4.8%，后風(fēng)窗導(dǎo)風(fēng)板能降低2.4%）。

3.瑞風(fēng)S7驗(yàn)證

在S7項(xiàng)目中在SE數(shù)據(jù)階段，通過運(yùn)用設(shè)計(jì)方法及經(jīng)驗(yàn)，通過底盤平整化等方式，將風(fēng)阻由0.407降低至0.3625，降低10.9%，降風(fēng)阻方案將進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證。

六、小結(jié)

本文通過對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)在汽車造型設(shè)計(jì)中的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，研究造型設(shè)計(jì)與空氣動(dòng)力學(xué)理論，構(gòu)建了汽車造型降風(fēng)阻優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。通過研究建立汽車造型降風(fēng)阻設(shè)計(jì)流程與設(shè)計(jì)方法。通過江淮汽車實(shí)際整車項(xiàng)目，驗(yàn)證和完善了設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)方法，最終用于指導(dǎo)汽車氣動(dòng)設(shè)計(jì)。