造型设计阶段汽车气动特性优化

设计研究

造型设计阶段汽车气动特性优化

陈佳伟

（德州学院汽车工程学院，山东 德州 253023）

汽车是现代社会发展体系中不可或缺的元素，为人们的出行、货物运输等提供了诸多的便利，其应用价值与社会价值是不可估量的。新时期，汽车行业得到了全面的发展，汽车企业的数量在不断增加，汽车生产技术也在不断革新，各大企业均致力于提升汽车性能，文章针对汽车气动特性的不断优化，从汽车的造型设计阶段着手，展开了分析与探究。从而达到增强汽车的机体运行性能的效果。

造型设计阶段；汽车；气动特性

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.010

CLC NO.: U462 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-29-03

前言

现如今，私家车数量在逐渐增多，人们对汽车的性能、外观、实用性等都有了新的要求和认知，汽车车速在不断提高，进而所耗费的燃油会更多，气动性增强，为了实现燃油的经济性，提高汽车的运行性能，汽车行业在不断的探索与实践，寻求一种最新、高效、经济的汽车造型，为此，可将计算流体动力学（CFD）软件应用到汽车造型的设计之中，在汽车操行设计阶段，将优化气动特性充分考虑其中，以提升整辆汽车的设计价值与实用价值。

1、CFD条件下造型设计阶段汽车气动特性优化中所存在的不足

目前，在造型设计阶段，考虑汽车气动特性的不断优化，应用CFD软件，还存在着一系列的不足，制约着气动特性的不断优化。

首先，CFD软件的应用，其分析模型中网格的数量非常多，达到数百万，计算难度大，实施起来效率较低[1]。

其次，在CFD软件应用的现状来看，针对设计相关的问题，具有高度的约束性，约束的因素过多[2]，无法使得气动性能得到更为有效的优化，优化工作开展存在限制性。与此同时，应用该模型，无法对重要的参数信息、气动数据等进行修改，导致应用效果不佳、不理想。

再者，在整辆车的三维模型分析上，此阶段涉及到的参数过多，分析与整理起来难度大，使得汽车整体结构在气动性能优化上受阻，操作人员仅仅是通过局部的修整，无法达到理想的设计效果。

对于汽车来说，造型设计阶段至关重要，对于细节设计所涉及的点较少，缺少对于设计的相关约束性，造型设计上比较自由，能给设计师足够的设计空间。与此同时，为了提升整辆汽车的性能，在保证造型设计完美的基础上，也要考虑新车型所具备气动性能。现如今，我国汽车行业发展迅速，都纷纷致力于对汽车气动特性的优化，其实质上是对二维纵向对称面结构参数的不断优化与完善，以增强汽车的气动性能，对于汽车行业来说是一项重大的进步。

2、造型设计阶段汽车气动特性优化策略

2.1 CFD条件下纵向剖面模型的验证

为了探索造型阶段汽车气动特性的优化措施，应以空气动力学为基础，设置基本形体，也就是纵向对称面，严格控制其结构参数，该参数会对汽车的气动特性产生影响，开展气动特性优化前，对纵向剖面模型进行有效的验证。

2.1.1 设置仿真参数

该验证应选择在模拟性风洞实验区域，对长方体的计算域进行明确设定，保证车辆前部分应保持3倍的车长，而后部分应保持7倍车长，左右方向上应设置5倍车宽，上方位置应设置5倍车高，在风动阻塞比上应控制在2.23%，以消除阻塞所带来的影响。为了强化表面处理，可将ICEM软件应用其中[3]，对几何的表层进行处理，进而会产生四面体网格模型，进而会拉深出附面层。速度入口设定为计算域的入口，参数值为35m/s[4]，压力出口就是出口位置，而移动的壁面则选择地板，移动速度为35m/s。在车辆的表面设计上，应设定为不可滑行或移动的表面，而左右壁面、上表层则选择可滑动、移动的壁面，借助k-ε湍流模型来进行计算并求解。

2.1.2 仿真效果对比

为了达到理想的验证效果，对二维纵向对称面模型的可参考价值与仿真情况进行分析，可应用国际标准模型直背型MIRA车来参与研究，将该模型与二维纵向对称面模型进行有效的对比和分析，以求为汽车造型设计中气动特性的优化提供借鉴。

表1 仿真的结果参数对比

具体来讲，二维模型可看做具有更大宽度、翼面更为复杂的三维模型，气场流的方向为横向无流动的状态，且气流流动的区域在于上表面，然后顺势进入尾流阶段。三维模型与二维模型相比，其两个边侧会多出2个表面，处在上下表面、侧面间的气流会发生相互流出、溢出的现象，进而使得整个气场力的状态变得更为复杂。由此可见，在三维状态下，其阻力参数要比二维状态下纵向对称面模型的阻力参数更大，而在气动升力参数值上却未发生变化，如表1所示。通过分析，了解到二维纵剖面气动仿真特性优化的实施具有可行性。

3、CFD条件下纵向剖面模型的仿真设计与优化

3.1 合理设置纵剖模型的参数值

为了更为深度的了解汽车气动特性优化的方案，本文以CFD软件为基础，针对二维纵向对称面结构参数变化对气动特性的影响情况进行分析，需要开展多次采样的方式，并认真计算出相对应的阻力参数与升力参数。为了提升整个过程操作的规范性与便利性，可根据参数来构建模型，使得整个仿真设计更具说服力，如图1所示。

图1 纵剖模型以及相关的参数设定

为了更为深度的进行仿真设计与探究，应从近几年来汽车造型的实际设计案例中进行选择，选择造型设计对气动力系数影响较大参数变化量最为设计变量，获取各个设计量的具体参数值。

3.2 二维纵向模型仿真分析

通过一系列的计算与仿真效果分析，了解到耦合参数会对阻力系数产生影响，且该影响不是有单个元素影响逐渐叠加而形成的。整个曲面的形态变得越扭曲，则证明耦合参数所形成的影响就越大[5]。从图2中可明确了解到，处在前风窗与发动机罩间的正压区域，主要受到机罩和风窗间夹角、机罩的三维曲率和倾斜角、风窗的三维曲率和倾斜角等参数的影响。若将机罩与风窗间的夹角系数降低，会让分离线和附着线逐渐靠近，此时，分离区会逐渐减小，在此过程中启动阻力会逐渐降低。若两者间夹角处在30°时，阻力参数值处在最佳位置。

图2 前风窗倾角对气动特性的影响结果

4、建立代理模型，优化各项参数

4.1 建立代理模型

为了掌握造型设计阶段中汽车气动特性优化策略，应建立代理模型，运用近似模型方法，进而得出计算的参数与近似精度值，可选择径向基近似模型，在构建此模型时，需要使用高斯函数。在表示径向基插值时，可运用公式来代替

在上式中，wk代表样本中各个点的权系数，φk(rik)属于基函数，其中rik代表着某一个点，改变的坐标为(xi,xj)。

4.2 遗传算法的应用

为了达到更有效的优化效果，应将遗传算法应用，以应用NSGA-Ⅱ为主，其是在Pareto最优概念的基础上得出来的。为保证数值获取的优质性，可采用小生境技术，对个体进行适度值的设定，能有效禁止局部收敛现象的出现。为了拓宽采样的空间，将父代子群与子代种群放置一起进行竞争性排序，进而获得更为优质的下一代，最终能达到优化的效果。

研究人员将升力系数、阻力系数作为目标函数，构建近似模型f1、f2，将遗传算法应用其中，旨在实现气动特性的不断优化，进而得出近似模型与仿真的结果，发现升力参数的误差范围为0.77%～60.46%以内，而阻力参数的误差范围控制在0.52%～4.26%以内，达到理想的设计要求。

5、总结

综上所述，汽车已经成为人们生活中不可或缺的交通工具，其应用价值不言而喻。为了充分提升汽车的实用价值，可在汽车造型设计阶段重视汽车气动特性的设计与优化，增强汽车性能，运用CFD软件模型的分析与剖析，真正的掌握汽车气动特性优化的措施与方法，是未来汽车领域亟待探索的话题，利于推动汽车行业的全面进步。

[1] 李伟平,肖娟,张宝珍,牛晓佩.造型设计阶段汽车气动特性优化[J].机械科学与技术,2016,06:1-6.

[2] 孙连伟.某SUV车型上车身气动力性能优化分析[J].机械设计与制造,2016,05:244-248.

[3] 赵波,屠建中.基于空气动力学的车身造型设计[J].机械设计与制造,2011,07:48-50.

[4] 廖海祥.XMQ6128Y客车造型的空气动力学优化设计研究[J].机电技术,2015,01:115-120.

[5] 张怀华,容江磊,郭建成.某轿车气动特性的CFD分析及优化[J].陕西科技大学学报(自然科学版),2012,02:56-61.

Car of aerodynamic optimization design stage

Chen Jiawei
（School of automotive engineering, Dezhou University, Shandong Dezhou 253023）

Car is an indispensable element in the development of modern society system, for people's travel, goods transportation provides a lot of convenience, its application value and social value is immeasurable. In the new period, the automobile industry got the comprehensive development, the number of car companies are on the increase, auto production technology is also in constant innovation, companies are committed to improve automobile performance, based on the aerodynamic characteristics of continuous optimization, start from the design phase of the car, carried out analysis and inquiry. To strengthen the result of the car body running performance.

modelling design stage; Car; Aerodynamic characteristics

U462

A

1671-7988 (2016)12-29-03

陈佳伟（1994-），男，就读于德州学院，交通运输专业。

指导老师：孟俊焕（1970.01—），女，副教授，就职于德州学院，研究方向：机械制造及自动化，从事机械新产品设计研究工作。