某SUV造型优化仿真分析

赵振宗，赵晓明，徐林，李晓璐

（1．长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，河北 保定 071000；2．友好际通（天津）科技有限公司，天津 301712）



某SUV造型优化仿真分析

赵振宗1，赵晓明2，徐林2，李晓璐2

（1．长城汽车股份有限公司技术中心，河北省汽车工程技术研究中心，河北 保定 071000；2．友好际通（天津）科技有限公司，天津 301712）

摘 要：文章首先对某SUV进行了外流场和气动阻力敏感性分析，然后在敏感性分析的基础上，得到车型存在的优化位置为前大灯、雾灯、A柱和尾翼，采用正交试验来研究这些位置的变化对气动阻力的影响，最后根据正交试验所得结果对原始模型进行优化改进，得到合理的车身气动造型优化方案。优化方案的风阻系数与原方案相比，大幅降低。因此，在车型开发前期，结合敏感性分析和正交试验可以更好的指导汽车的造型设计，使之更好的展现空气动力学特性。

关键词：CFD；敏感性分析；正交试验；造型优化

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.028

A certain SUV model optimization simulation analysis

Zhao Zhenzong1, Zhao Xiaoming2, Xu Lin2, Li Xiaolu2
( 1.Great Wall motor Co., Ltd.Technology center, automotive engineering technology research center in Hebei province, Hebei Baoding 071000; 2.The friendly international (tianjin) technology Co., Ltd., Tianjin 301712 )

Abstrat: An external flow analysis of a SUV and Sensitivity analysis of aerodynamic drag have been carried out.On the basis of Sensitivity analysis, headlights, fog lamp,A pillar and spoiler can be optimized.The influence of the change for the position of these positions is studied by orthogonal test.The optimum scheme of the vehicle body is obtained by the orthogonal test.The drag coefficient of optimization scheme greatly reduced compared with the original scheme.Therefore, in the early stage of the car styling design, combining the sensitivity analysis and the orthogonal test can better guide the design of the automobile, whichmakes it better to show aerodynamic characteristics.

Keywords:CFD; Sensitivity analysis; The orthogonal experiment; Shape optimization

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-83-03

前言

汽车的空气动力特性直接影响车辆的动力性、经济性和操纵稳定性。如何降低车身的气动阻力，提高汽车的空气动力学性能是汽车研发面临的重要问题[1]。风阻系数的大小是衡量汽车气动性能好坏的重要指标。最合理的情况是在车辆外形满足其他性能要求的同时有足够小的风阻系数[2,3]。在车型的开发过程中，特别是开发前期，作为风洞试验的补充及替代，利用CFD仿真技术可以更好的进行汽车外造型的气动优化工作。CFD可以快速考察造型对空气动力学性能的影响程度[4]。随着CFD技术的不断发展，商业计算软件都增加了敏感性计算模块。汽车气动特性敏感性分析主要可以计算汽车造型对汽车气动特性（如压力、风阻等）的影响情况。工程师可以在依据以往经验的基础上，参考敏感性分析得到的较为详细的数据，对汽车进行造型评估或优化改进。

1、流场分析及外形优化

1.1 外流场分析

为了准确体现实车特征，模型包含了后视镜和车窗密封条等部件；对底盘进行平板简化和进气格栅封闭处理。流体域为三维定常不可压流体，采用雷诺时均N-S方程，并选择Realizable k-ε湍流模型，空间离散采用二阶迎风差分格式。计算模型如图2所示，采用多面体网格，数量约为1200万，计算风阻系数为0.3148。

图1　计算模型图

1.2 敏感性分析

分析优化目的是通过改变造型来降低阻力。当稳态计算结束后，通过CFD软件中的伴随求解模块来建立输出物理量对车型几何参数的敏感性，通过分析敏感性数据来定位阻力影响较大区，明确优化区域。图2为敏感性分析结果。

图2　敏感性分析结果

由图3所示的外形敏感性云图中可以观察到，雾灯、前大灯、A柱和尾翼等区域为阻力敏感性较大的区域（红色区域），对这些位置形状稍作修改，就能引起阻力的较大变化；而敏感性较小的区域（蓝绿色区域），进行外形调整，对阻力影响比较小。

1.3 正交试验优化

为了能够准确得到上述雾灯、前大灯、A柱和尾翼四个位置对该SUV气动阻力影响程度的大小，并在一定范围内得到最小风阻系数的最佳组合，本文采用正交试验方法对所有位置进行优化分析。

根据正交试验原理，采用L9（34）正交表，并将9个试验依次计算得到风阻系数。正交试验分析结果如表1所示。

从表1中可以看到，试验结果的极差为δA> δB> δD> δC，说明因素A(前大灯内收)对风阻系数造成的影响最大，其次依次为因素B(雾灯平滑处理)、因素D(尾翼下压)，因素C(A柱下调)对结果造成的影响最小。通过对均值的比较，可以确定最优组合为A3B3C1D3，即前大灯内收15mm、雾灯按照方式3平滑处理、A柱下调6mm和尾翼下压6°。试验表中没有这种组合，因此，需要对这个组合进行重新计算。经计算，优化后模型的风阻系数为0.259。

表1　正交试验分析表

图4　优化前后雾灯压力分布对比

通过图4可以看到，原造型雾灯特征明显，压力突变明显；造型优化后，对原特征进行平滑处理，雾灯处的正压区和负压区过渡明显缓和，减少了压力突变造成的能量损失，优化后的正压区面积也有一定程度的减少。

图5　优化前后等压面湍动能对比

等压面湍动能分布可以显示气流分离情况，以及由于气流分离导致的能量耗散的大小。图5显示的优化前后对比图可以看出，优化后，车辆前端和后部气流分离明显改善，分离区域变小，等压面的湍动能也有很大程度的降低。

3、结论

对某款SUV进行了CFD分析，并应用软件的伴随求解模块进行了敏感性分析，在此基础上，结合正交试验设计对车身进行了部分优化，得到如下结论：

（1）优化后较优化前，某SUV的风阻系数由0.315降

低为0.259，降幅达17.73%，效果明显；

（2）敏感性分析可以具体体现该车型的优化位置，包括雾灯、前大灯、A柱和尾翼，相对于依靠经验优化，敏感性分析更加准确；

（3）通过正交试验结果分析得到影响该车型气动阻力的主要因素，找到了最优的造型参数组合。此外，针对多因素多水平的优化问题，运用正交试验方法可以降低试验次数，提高优化效率。

在车型开发前期，通过进行流场分析、敏感性分析和车型优化分析三个过程，可以使汽车的造型设计与空气动力学特性更好的结合，这对实际工程应用有一定的借鉴作用。

参考文献

[1] Chung Sun Lee, Abdulkareem Sh.Mahdi Al-Obaidi.Calculation and Optimization of the Aerodynamic Drag of An Open-Wheel Race Car[J].EURECA 2013.29-30.

[2] Giovanni Lombardi, Marco Maganzi.Use of the CFD for the Aerodynamic Optimization of the Car Shape: Problems and Application[J].EASC 2009 4th European automotive simulation conference

[3] 熊超强.低阻力汽车外流场的数值模拟及其误差分析[D].华南理工大学2012.

[4] 唐世坤,苗玉礼,王千浩.汽车外流场分析及其在汽车设计中的应用[J].汽车科技.2015(02).

测试试验

作者简介：赵振宗，硕士，就职于长城汽车股份有限公司。从事汽车空气动力性能控制方面工作。

中图分类号：U467.3

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)03-83-03