機械設(shè)計與制造第7期Machinery Design Manufacture2011年7月文章編號:1001-3997(2011)07-0048-03基于空氣動力學的車身造型設(shè)計趙波屠建中(上海工程技術(shù)大學汽車工程學院,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,對車身曲面進行光順性分析,保證曲面的光順性。用 GAMBIT進行網(wǎng)格劃分,對車身、地板等要求網(wǎng)格密度高的部分使用手動劃分網(wǎng)格,遠離車身的部位采用自動劃分方法。使用 FLUENT軟件進行分析,通過對氣動阻力和氣動升力等動力性指標的不斷優(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)濟性能,對于新型車搶占市場極其重要。關(guān)鍵詞:車身造型;空氣動力學;動力性(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:TH122,U463.82文獻標識碼:A1引言氣調(diào)節(jié)等特性。概括地說汽車的流場包括車身外部流場和內(nèi)部汽車空氣動力學是研究空氣流經(jīng)汽車時的流動規(guī)律及其與流場。汽車相互作用的一門科學。汽車空氣動力特性是汽車的重要性隨著高速公路的發(fā)展燃油價格的上漲以及節(jié)能減排的要求,能,它是指汽車在流場中所受到的以阻力為主的包括升力、側(cè)向現(xiàn)代汽車對動力性經(jīng)濟性操縱穩(wěn)定性和舒適性的要求越來越高,力的三個氣動力及其相應(yīng)的力矩(即六分力)的作用而產(chǎn)生的車人們漸漸意識到車身造型的重要性現(xiàn)今車身設(shè)計流程首先將車身身外部和內(nèi)部的氣流特性、側(cè)風穩(wěn)定性、氣動噪聲特性、泥土、灰造型設(shè)計的空氣動力性能指標作為車身設(shè)計的出發(fā)點;通過計算流塵的附著和上卷、刮水器上浮以及發(fā)動機冷卻、駕駛室內(nèi)通風、空體力學對氣動阻力和氣動升力等動力性指標進行優(yōu)化提高了燃油★來稿日期:201009-02*基金項目:上海高校知識創(chuàng)新工程(085工程)建設(shè)項目資助(D2090)由于橡膠皮帶的泊松比=048,接近05,故將公式(22)進參考文獻步簡化,得二次簡化公式[]濮良貴紀名剛機械設(shè)計[M]第7版)北京:高等教育出版社2002:(21)2]高澤遠姚玉泉李林貴機械設(shè)計[M]修訂版沈陽:東北大學出版由簡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]全俊全永昕機械設(shè)計[M]北京:高等教育出版社,1979:75896總結(jié)[4]談嘉楨機械設(shè)計基礎(chǔ)北京:中國標準出版社,1994:111-117[5]羅善明余以道帶傳動理論與新型帶傳動北京國防工業(yè)出版社,(1)假設(shè)皮帶傳動中的流量守恒的基礎(chǔ)上,推導了皮帶傳動滑移率及效率的計算公式,并簡化得到更為簡單實用的表達式[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,直接利用簡化公式計算版社,2004:106-107可不用實驗測試的方法,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[M]北京北京大學出版社,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]邱香皮帶式無級變速器設(shè)計理論的研究[D],200:4950第7期趙波等:基于空氣動力學的車身造型設(shè)計的經(jīng)濟性能行使時的安全性能。基于空氣動力學的車身造型設(shè)計型的選取、邊界條件的添加等,其過程主要有:建立車身模型對也是虛擬制造技術(shù)在汽車工業(yè)設(shè)計上的次具體應(yīng)用,是空氣動力計算區(qū)域網(wǎng)格劃分、定義邊界條件、湍流模型的選取、計算數(shù)據(jù)處學和計算機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力學是一門工程應(yīng)用科學或經(jīng)驗科學,結(jié)論來并能計算出氣動阻力系數(shù)CD和氣動升力系數(shù)C等氣動參數(shù)有自對工程試驗數(shù)據(jù)的分析和推理,其發(fā)展過程主要經(jīng)過下列三個助于進一步掌握汽車三維外流場的特性,進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,不同種類車的氣動阻力系數(shù)如表1所示。階段。隨著空氣動力學及風洞試驗技術(shù)的發(fā)展,人們對汽車繞流表1不同種類車的氣動阻力系敗特性有了充分認識,汽車空氣動力學進入了汽車造型的整體優(yōu)化氣動阻力系數(shù)階段。整體優(yōu)化的原則是首先確定一個符合總布置要求的低阻形賽車和運動型跑車020030C=028042體在其發(fā)展成實用化汽車的每一設(shè)計步驟中,都應(yīng)嚴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)省大型實驗而花費的巨大財力、人力和物力,可在新31網(wǎng)格劃分車設(shè)計初期的造型階段進行空氣動力性能及其它有關(guān)性能預(yù)測使用 FLUENT:軟件進行分析用 GAMBIT進行網(wǎng)格劃分。計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算區(qū)域?qū)τ嬢^理想的產(chǎn)品對于新型車搶占市場是極其重要的算區(qū)域進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,對計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所獲得的計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5300余個。對車身曲面進行光順性分析這個過程需要反制,對參數(shù)變化梯度大的計算敏感區(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]到計算機硬件條件,為應(yīng)根據(jù)需要安排網(wǎng)格稀密。對車身、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劃分網(wǎng)格遠離車身的部位采用自動劃分方法。汽車周圍的流體是空氣,當空氣速度小于13聲速時,可以雨器等部分,對車身底部做了適當簡化。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、掃掠及認為空氣是不可壓縮氣體。從理論上講計算區(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部車導外圍的無窮遠處,在整個仿真過程中般采取有限計算城代分曲面建立完畢即要對其進行分析,利用斑馬線等分析法觀察曲替無限計算域,近似認為來流無干擾,即車身周圍為定流場。為了面曲率走勢,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狀況,車身周圍流場需要比車身大許多倍。模擬在車身造型設(shè)計初期,汽車外流場的數(shù)值模擬可以與計算車靜止不動而空氣從遠處以恒定速度進入,形成定常流模擬車機輔助造型設(shè)計交叉進行,若通過數(shù)值模擬所獲得的氣動阻力系身行駛時正風的情況。根據(jù)經(jīng)驗流場仿真計算所取的計算域到數(shù)CB和或氣動升力系數(shù)C等分析數(shù)據(jù)不滿足設(shè)計要求,則必須達一定的大小時,汽車的流場就不再受計算域大小的限制假設(shè)車長L,寬W高H則計算區(qū)域根據(jù)經(jīng)驗取車前3L,側(cè)面4W,上對車身造型圖進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、無窮遠壓力邊界、自由出流進口通風、進口風扇、排氣扇、對稱邊界、周期性邊界、固壁邊界。車身外流場空間使用的進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,車身正面迎風的情況邊界條件設(shè)定為5類:入口邊界、出口邊界、移動壁面、固定壁面利圖1白車身渲染圖中國煤化工邊界,計算時給定速度3汽車三維外流場的數(shù)值模擬25m/sCNMHG汽車外流場數(shù)值模擬是一個非常復(fù)雜的過程,它包括很多出口邊界:取車身后遠端端面為出口邊界,計算時給定壓力方面的內(nèi)容,如幾何物理模型的準確性、岡格系統(tǒng)的質(zhì)量、湍流模出口邊界條件。機械設(shè)計與制造Jul2011車身為固定壁面,底部為移動壁面。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。使底板對稱面邊界1:取汽車的縱向?qū)ΨQ面所在的端面為對稱面邊界。下部流線型化,壓低發(fā)動機罩前端,減緩前風窗傾角,都可以減小對稱面邊界2:取汽車外流場的上面及側(cè)面兩端面為對稱面前端升力。作用于汽車上的升力將減小輪胎對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。層流在流動過程中分層而不互相干擾;湍流中各個物理量隨時間和空間的變化都不規(guī)則。對于車身,雷諾是表征其周圍粘性的無量綱系數(shù)。繞汽車的空氣流動為高(雷諾數(shù))Re數(shù)湍流流動,采用平均雷諾數(shù)下的N-S方程,計算得到的雷諾數(shù)達7x10°,用 Realizable k-ε淌流模型進行模擬。湍流是流體力學的疑難問題,至今對它的運動機理還不完全清楚,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的數(shù)值模擬,對車身造型多次修改,修改2004006009001000120014001600后再進行數(shù)值模擬,最后計算結(jié)果:氣動阻力系數(shù)C。為0317,氣動升力系數(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,氣動性能較好,滿足設(shè)計要求對轎車外部流場的數(shù)值模,可以得到輛車外部該場的流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力學的性能指標進行車身造型設(shè)計,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、最后選代對氣動阻力和氣動升力等動力性指標的不斷優(yōu)化,為車身的選型為了觀察計算時連續(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次殘差為一個逐步收斂的趨勢,并最后得到收斂的結(jié)果。身正面迎風的情況,湍流模型用標準k進行汽車三維外流場的至此 FLUENT的設(shè)置已經(jīng)完成,可以對仿真結(jié)果進行分析。數(shù)值模擬。用模擬結(jié)果對車身造型進行修改,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)濟性能對于出現(xiàn)負壓值較大的部位是前保險杠、發(fā)動機蓋、頂蓋、A柱、新型車搶占市場極其重要。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系數(shù)分布。遠方來流由于在汽車前頭頂點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)計中的應(yīng)用機械設(shè)計與制造,2005(4):71-73滯,來流速度降為零全部動壓變?yōu)殪o壓,壓力系數(shù)達到最大值約(2]梁建水轎車外流場CFD分析中常用k流模型的對比們]汽車工為497ePa程,2008(10):22-23.汽車后部負壓區(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)能賽車改進設(shè)計[1.上海工程技術(shù)大學學報,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流體工程仿真計算實例與應(yīng)用M]北壓差阻力。后窗之間的過渡區(qū)域則存在一個絕對值較大的負壓京:北京理工大學出版社200區(qū)。從這些壓力云圖中我們可以在設(shè)計過程中確定各部分的壓力(5許室汽車外流場CPD模擬(合肥工業(yè)大學學報20712162狀況,判斷其各個部分是否需要安裝撓流板等輔助設(shè)施,風窗處[6]W是否會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力汽車進風口處的冷卻氣流會使流過車身的氣流發(fā)生明顯的變(7]張建立,張國忠CFD在汽車空氣動力學研究中的應(yīng)用沈陽大學化,導致對升力的影響。作用在汽車上的空氣,有(3540)%在車學報,20018):15-18.