機(jī)械設(shè)計(jì)與制造第7期Machinery Design Manufacture2011年7月文章編號(hào):1001-3997(2011)07-0048-03基于空氣動(dòng)力學(xué)的車身造型設(shè)計(jì)趙波屠建中(上海工程技術(shù)大學(xué)汽車工程學(xué)院,上海201620Car body styling based on aerodynamicsZHAO Bo, TU Jian-zhongCollege of Automobile Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)【摘要】確定主要的車身尺寸,草繪車身造型圖,使用UG軟件完成車身模型,對(duì)車身曲面進(jìn)行光順性分析,保證曲面的光順性。用 GAMBIT進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對(duì)車身、地板等要求網(wǎng)格密度高的部分使用手動(dòng)劃分網(wǎng)格,遠(yuǎn)離車身的部位采用自動(dòng)劃分方法。使用 FLUENT軟件進(jìn)行分析,通過對(duì)氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力等動(dòng)力性指標(biāo)的不斷優(yōu)化,為車身的選型及造型提供依據(jù)。用數(shù)值模擬結(jié)果修改車身造型,得到比較滿意的結(jié)果,有利于較早地避免產(chǎn)品缺陷,提高燃油的經(jīng)濟(jì)性能,對(duì)于新型車搶占市場(chǎng)極其重要。關(guān)鍵詞:車身造型;空氣動(dòng)力學(xué);動(dòng)力性(Abstract] In order to ens ure the smoothness of the curve, dimensions for main body are determinedbody styling is sketched and model is built with UG software as well as body curve is analyzed for smoothness. Then high density meshes for body and floor are divided manually and others far from the body are di-vided automatically by GAMBIt. afier analyzing with FLUENT, body lectotype and styling are decided by theptimizing dynamics properties of aero resistance and lift etc. Afterwards, successive modification on bodystyling is being carried out by numerical simulation until satisfied result is obtained In this case product defect is early avoided and fuel economy is improved, which is important to sieze the market for new car.Key words: Body styling: Aerodynamics; Dynamics properties中圖分類號(hào):TH122,U463.82文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1引言氣調(diào)節(jié)等特性。概括地說汽車的流場(chǎng)包括車身外部流場(chǎng)和內(nèi)部汽車空氣動(dòng)力學(xué)是研究空氣流經(jīng)汽車時(shí)的流動(dòng)規(guī)律及其與流場(chǎng)。汽車相互作用的一門科學(xué)。汽車空氣動(dòng)力特性是汽車的重要性隨著高速公路的發(fā)展燃油價(jià)格的上漲以及節(jié)能減排的要求,能,它是指汽車在流場(chǎng)中所受到的以阻力為主的包括升力、側(cè)向現(xiàn)代汽車對(duì)動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性操縱穩(wěn)定性和舒適性的要求越來越高,力的三個(gè)氣動(dòng)力及其相應(yīng)的力矩(即六分力)的作用而產(chǎn)生的車人們漸漸意識(shí)到車身造型的重要性現(xiàn)今車身設(shè)計(jì)流程首先將車身身外部和內(nèi)部的氣流特性、側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性、氣動(dòng)噪聲特性、泥土、灰造型設(shè)計(jì)的空氣動(dòng)力性能指標(biāo)作為車身設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn);通過計(jì)算流塵的附著和上卷、刮水器上浮以及發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻、駕駛室內(nèi)通風(fēng)、空體力學(xué)對(duì)氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力等動(dòng)力性指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化提高了燃油★來稿日期:201009-02*基金項(xiàng)目:上海高校知識(shí)創(chuàng)新工程(085工程)建設(shè)項(xiàng)目資助(D2090)由于橡膠皮帶的泊松比=048,接近05,故將公式(22)進(jìn)參考文獻(xiàn)步簡(jiǎn)化,得二次簡(jiǎn)化公式[]濮良貴紀(jì)名剛機(jī)械設(shè)計(jì)[M]第7版)北京:高等教育出版社2002:(21)2]高澤遠(yuǎn)姚玉泉李林貴機(jī)械設(shè)計(jì)[M]修訂版沈陽:東北大學(xué)出版由簡(jiǎn)化公式可知滑移率與有效拉力成正比,與皮帶的初社,1991:107-116始截面積成反比。[3]全俊全永昕機(jī)械設(shè)計(jì)[M]北京:高等教育出版社,1979:75896總結(jié)[4]談嘉楨機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1994:111-117[5]羅善明余以道帶傳動(dòng)理論與新型帶傳動(dòng)北京國防工業(yè)出版社,(1)假設(shè)皮帶傳動(dòng)中的流量守恒的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了皮帶傳動(dòng)滑移率及效率的計(jì)算公式,并簡(jiǎn)化得到更為簡(jiǎn)單實(shí)用的表達(dá)式[6]陳中國煤化工址19946在已知皮帶帶型和有效拉力的情況下,直接利用簡(jiǎn)化公式計(jì)算版社,2004:106-107可不用實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法,具有非常重要的工程意義。[8]王CNMH,2005:88-8(2)皮帶傳動(dòng)的滑移率與有效拉力之間呈線性關(guān)系滑移率[9]吳望一流體力學(xué)[M]北京北京大學(xué)出版社,200576直線斜率與有效拉力成正比,與皮帶的初始截面積成反比[10]邱香皮帶式無級(jí)變速器設(shè)計(jì)理論的研究[D],200:4950第7期趙波等:基于空氣動(dòng)力學(xué)的車身造型設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性能行使時(shí)的安全性能?；诳諝鈩?dòng)力學(xué)的車身造型設(shè)計(jì)型的選取、邊界條件的添加等,其過程主要有:建立車身模型對(duì)也是虛擬制造技術(shù)在汽車工業(yè)設(shè)計(jì)上的次具體應(yīng)用,是空氣動(dòng)力計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分、定義邊界條件、湍流模型的選取、計(jì)算數(shù)據(jù)處學(xué)和計(jì)算機(jī)輔助造型在汽車工業(yè)上的綜合應(yīng)用理等。通過分析可得到車身表面的壓力分布圖和速度分布圖等汽車空氣動(dòng)力學(xué)是一門工程應(yīng)用科學(xué)或經(jīng)驗(yàn)科學(xué),結(jié)論來并能計(jì)算出氣動(dòng)阻力系數(shù)CD和氣動(dòng)升力系數(shù)C等氣動(dòng)參數(shù)有自對(duì)工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和推理,其發(fā)展過程主要經(jīng)過下列三個(gè)助于進(jìn)一步掌握汽車三維外流場(chǎng)的特性,進(jìn)一步完善車身造型設(shè)階段:基本形狀造型階段流線形造型階段、汽車造型的整體優(yōu)化計(jì),不同種類車的氣動(dòng)阻力系數(shù)如表1所示。階段。隨著空氣動(dòng)力學(xué)及風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)汽車?yán)@流表1不同種類車的氣動(dòng)阻力系敗特性有了充分認(rèn)識(shí),汽車空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)入了汽車造型的整體優(yōu)化氣動(dòng)阻力系數(shù)階段。整體優(yōu)化的原則是首先確定一個(gè)符合總布置要求的低阻形賽車和運(yùn)動(dòng)型跑車020030C=028042體在其發(fā)展成實(shí)用化汽車的每一設(shè)計(jì)步驟中,都應(yīng)嚴(yán)格保證形輕型客車和公共汽車C=040080體光順性使氣流不從汽車表面分離稱之為形體最佳化。數(shù)值模載貨汽車C055-1.10擬方法可節(jié)省大型實(shí)驗(yàn)而花費(fèi)的巨大財(cái)力、人力和物力,可在新31網(wǎng)格劃分車設(shè)計(jì)初期的造型階段進(jìn)行空氣動(dòng)力性能及其它有關(guān)性能預(yù)測(cè)使用 FLUENT:軟件進(jìn)行分析用 GAMBIT進(jìn)行網(wǎng)格劃分。計(jì)為選型及造型修改提供依據(jù)。有利于較早地避免產(chǎn)品缺陷得到算網(wǎng)格的劃分主要步驟如下:處理車身模型確定計(jì)算區(qū)域?qū)τ?jì)較理想的產(chǎn)品對(duì)于新型車搶占市場(chǎng)是極其重要的算區(qū)域進(jìn)行離散化邊界條件的確立。網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬過程2車身模型的建立中最為耗時(shí)的部分,網(wǎng)格的質(zhì)量很大程度上決定著數(shù)值模擬結(jié)果首先草繪車身造型圖,造型方案通過后,建立三視圖確定主的精確程度甚至數(shù)值模擬能否收斂。研究表明,對(duì)計(jì)算格式的改要的車身尺寸然后構(gòu)造車身曲線和曲面,最后將各都分曲面逐步進(jìn)所獲得的計(jì)算精度的提高效果常不如網(wǎng)格質(zhì)量提高的效果縫合,完成3D車身造型。使用UG軟件完成車身模型,共縫合曲面數(shù)目達(dá)5300余個(gè)。對(duì)車身曲面進(jìn)行光順性分析這個(gè)過程需要反制,對(duì)參數(shù)變化梯度大的計(jì)算敏感區(qū),應(yīng)劃分較密網(wǎng)格,其它區(qū)域復(fù)研究如圖1所示,是完成的白車身?？紤]到計(jì)算機(jī)硬件條件,為應(yīng)根據(jù)需要安排網(wǎng)格稀密。對(duì)車身、地板等要求網(wǎng)格密度高的部了方便分析該模型帶有車輪忽略車身外部突起物如后視鏡刮分使用手動(dòng)劃分網(wǎng)格遠(yuǎn)離車身的部位采用自動(dòng)劃分方法。汽車周圍的流體是空氣,當(dāng)空氣速度小于13聲速時(shí),可以雨器等部分,對(duì)車身底部做了適當(dāng)簡(jiǎn)化。在建立車身曲面的過程中,根據(jù)不同情況使用了多種方法,如直紋面、過曲線網(wǎng)格、掃掠及認(rèn)為空氣是不可壓縮氣體。從理論上講計(jì)算區(qū)域的外邊界應(yīng)在橋接面等命令,逐步將白車身完成分析曲面的光順情況當(dāng)部車導(dǎo)外圍的無窮遠(yuǎn)處,在整個(gè)仿真過程中般采取有限計(jì)算城代分曲面建立完畢即要對(duì)其進(jìn)行分析,利用斑馬線等分析法觀察曲替無限計(jì)算域,近似認(rèn)為來流無干擾,即車身周圍為定流場(chǎng)。為了面曲率走勢(shì),不能出現(xiàn)明顯的斷裂變形,保證曲面的光順模擬更接近真實(shí)狀況,車身周圍流場(chǎng)需要比車身大許多倍。模擬在車身造型設(shè)計(jì)初期,汽車外流場(chǎng)的數(shù)值模擬可以與計(jì)算車靜止不動(dòng)而空氣從遠(yuǎn)處以恒定速度進(jìn)入,形成定常流模擬車機(jī)輔助造型設(shè)計(jì)交叉進(jìn)行,若通過數(shù)值模擬所獲得的氣動(dòng)阻力系身行駛時(shí)正風(fēng)的情況。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)流場(chǎng)仿真計(jì)算所取的計(jì)算域到數(shù)CB和或氣動(dòng)升力系數(shù)C等分析數(shù)據(jù)不滿足設(shè)計(jì)要求,則必須達(dá)一定的大小時(shí),汽車的流場(chǎng)就不再受計(jì)算域大小的限制假設(shè)車長(zhǎng)L,寬W高H則計(jì)算區(qū)域根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取車前3L,側(cè)面4W,上對(duì)車身造型圖進(jìn)行修改直至滿足要求。部4H,后部6L32邊界條件的設(shè)置FLUENT軟件提供十多種類型的進(jìn)出口邊界條件,分別為速度入口、壓力入口、質(zhì)量入口、壓力出口、無窮遠(yuǎn)壓力邊界、自由出流進(jìn)口通風(fēng)、進(jìn)口風(fēng)扇、排氣扇、對(duì)稱邊界、周期性邊界、固壁邊界。車身外流場(chǎng)空間使用的進(jìn)出口邊界條件分別為速度人口壓力出口汽車在空氣中行使由于公路條件,一般車速在120kmh以下。模擬汽車以90km/h(25m)的速度勻速行駛,車身正面迎風(fēng)的情況邊界條件設(shè)定為5類:入口邊界、出口邊界、移動(dòng)壁面、固定壁面利圖1白車身渲染圖中國煤化工邊界,計(jì)算時(shí)給定速度3汽車三維外流場(chǎng)的數(shù)值模擬25m/sCNMHG汽車外流場(chǎng)數(shù)值模擬是一個(gè)非常復(fù)雜的過程,它包括很多出口邊界:取車身后遠(yuǎn)端端面為出口邊界,計(jì)算時(shí)給定壓力方面的內(nèi)容,如幾何物理模型的準(zhǔn)確性、岡格系統(tǒng)的質(zhì)量、湍流模出口邊界條件。機(jī)械設(shè)計(jì)與制造Jul2011車身為固定壁面,底部為移動(dòng)壁面。身上部流過,(10-15)%在下面流過,25%在側(cè)面流過,所以減小固定壁面(車輛模型外表面)邊界:滿足固定壁無滑移條件。車身上下的壓力差,使大量氣流流經(jīng)側(cè)面,可以減小升力。使底板對(duì)稱面邊界1:取汽車的縱向?qū)ΨQ面所在的端面為對(duì)稱面邊界。下部流線型化,壓低發(fā)動(dòng)機(jī)罩前端,減緩前風(fēng)窗傾角,都可以減小對(duì)稱面邊界2:取汽車外流場(chǎng)的上面及側(cè)面兩端面為對(duì)稱面前端升力。作用于汽車上的升力將減小輪胎對(duì)地面的升力使輪邊界胎附著力和側(cè)偏剛度降低,影響汽車的操縱穩(wěn)定性。3.3湍流模型的選取汽車的形狀和雷諾數(shù)影響著其粘性特征,用雷諾數(shù)來判別流體是層流或湍流。層流在流動(dòng)過程中分層而不互相干擾;湍流中各個(gè)物理量隨時(shí)間和空間的變化都不規(guī)則。對(duì)于車身,雷諾是表征其周圍粘性的無量綱系數(shù)。繞汽車的空氣流動(dòng)為高(雷諾數(shù))Re數(shù)湍流流動(dòng),采用平均雷諾數(shù)下的N-S方程,計(jì)算得到的雷諾數(shù)達(dá)7x10°,用 Realizable k-ε淌流模型進(jìn)行模擬。湍流是流體力學(xué)的疑難問題,至今對(duì)它的運(yùn)動(dòng)機(jī)理還不完全清楚,尚未建圖3車身壓力分布圖立完整的湍流體系。Aa圖4車身速度分布圖通過汽車三維外流場(chǎng)的數(shù)值模擬,對(duì)車身造型多次修改,修改2004006009001000120014001600后再進(jìn)行數(shù)值模擬,最后計(jì)算結(jié)果:氣動(dòng)阻力系數(shù)C。為0317,氣動(dòng)升力系數(shù)C為0056,車身壓力分布、速度分布等情況均符合圖2選代收效后的殘差圖正常規(guī)律,氣動(dòng)性能較好,滿足設(shè)計(jì)要求對(duì)轎車外部流場(chǎng)的數(shù)值模,可以得到輛車外部該場(chǎng)的流4結(jié)論FLUENT后經(jīng)過尺寸調(diào)整、求解條件設(shè)置油流模型的選取、定義基于汽車空氣動(dòng)力學(xué)的性能指標(biāo)進(jìn)行車身造型設(shè)計(jì),通過流體的物理性質(zhì)設(shè)置邊界條件初始化、打開殘差圖、最后選代對(duì)氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力等動(dòng)力性指標(biāo)的不斷優(yōu)化,為車身的選型為了觀察計(jì)算時(shí)連續(xù)性情況,設(shè)置殘差觀察。如圖2所示,選代及造型提供依據(jù)。模擬汽車以90kmMh(25ms)的速度勻速行駛,車1500次殘差為一個(gè)逐步收斂的趨勢(shì),并最后得到收斂的結(jié)果。身正面迎風(fēng)的情況,湍流模型用標(biāo)準(zhǔn)k進(jìn)行汽車三維外流場(chǎng)的至此 FLUENT的設(shè)置已經(jīng)完成,可以對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。數(shù)值模擬。用模擬結(jié)果對(duì)車身造型進(jìn)行修改,得到比較滿意的車34仿真結(jié)果分析身造型,有利于較早地避免產(chǎn)品缺陷,提高燃油的經(jīng)濟(jì)性能對(duì)于出現(xiàn)負(fù)壓值較大的部位是前保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋、頂蓋、A柱、新型車搶占市場(chǎng)極其重要。側(cè)面輪罩處。如圖3所示,我們可以大致地了解車身表面的壓力參考文獻(xiàn)系數(shù)分布。遠(yuǎn)方來流由于在汽車前頭頂點(diǎn)處受到垂直方向上的阻1]王森,劉振俠黃生勤 FLUENT在汽車外形設(shè)計(jì)中的應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2005(4):71-73滯,來流速度降為零全部動(dòng)壓變?yōu)殪o壓,壓力系數(shù)達(dá)到最大值約(2]梁建水轎車外流場(chǎng)CFD分析中常用k流模型的對(duì)比們]汽車工為497ePa程,2008(10):22-23.汽車后部負(fù)壓區(qū)較多,前部總壓力較后部要大,前后的壓力(3]趙曉輕SUEs1節(jié)能賽車改進(jìn)設(shè)計(jì)[1.上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),308差造成了汽車的壓差阻力,這部分阻力占總阻力的主要部分,要4):31-35想降低汽車的氣動(dòng)阻力,必須設(shè)法使尾部的壓力升高從而降低[4]韓占忠,王敬蘭小平 FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用M]北壓差阻力。后窗之間的過渡區(qū)域則存在一個(gè)絕對(duì)值較大的負(fù)壓京:北京理工大學(xué)出版社200區(qū)。從這些壓力云圖中我們可以在設(shè)計(jì)過程中確定各部分的壓力(5許室汽車外流場(chǎng)CPD模擬(合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)20712162狀況,判斷其各個(gè)部分是否需要安裝撓流板等輔助設(shè)施,風(fēng)窗處[6]W是否會(huì)積存雨水防止刮水器上浮。中國煤化工 for High Resolution AeroShape [C].The 4th MIRA在側(cè)風(fēng)作用下的高速汽車,車身前部可能有較大的局部升HiCNMHrnee,2002力汽車進(jìn)風(fēng)口處的冷卻氣流會(huì)使流過車身的氣流發(fā)生明顯的變(7]張建立,張國忠CFD在汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究中的應(yīng)用沈陽大學(xué)化,導(dǎo)致對(duì)升力的影響。作用在汽車上的空氣,有(3540)%在車學(xué)報(bào),20018):15-18.