基于空气动力学的车身造型设计

机械设计与制造第7期Machinery Design Manufacture2011年7月文章编号:1001-3997(2011)07-0048-03基于空气动力学的车身造型设计赵波屠建中(上海工程技术大学汽车工程学院,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】确定主要的车身尺寸,草绘车身造型图,使用UG软件完成车身模型,对车身曲面进行光顺性分析,保证曲面的光顺性。用 GAMBIT进行网格划分,对车身、地板等要求网格密度高的部分使用手动划分网格,远离车身的部位采用自动划分方法。使用 FLUENT软件进行分析,通过对气动阻力和气动升力等动力性指标的不断优化,为车身的选型及造型提供依据。用数值模拟结果修改车身造型,得到比较满意的结果,有利于较早地避免产品缺陷,提高燃油的经济性能,对于新型车抢占市场极其重要。关键词:车身造型;空气动力学;动力性(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中图分类号:TH122,U463.82文献标识码:A1引言气调节等特性。概括地说汽车的流场包括车身外部流场和内部汽车空气动力学是研究空气流经汽车时的流动规律及其与流场。汽车相互作用的一门科学。汽车空气动力特性是汽车的重要性随着高速公路的发展燃油价格的上涨以及节能减排的要求,能,它是指汽车在流场中所受到的以阻力为主的包括升力、侧向现代汽车对动力性经济性操纵稳定性和舒适性的要求越来越高,力的三个气动力及其相应的力矩(即六分力)的作用而产生的车人们渐渐意识到车身造型的重要性现今车身设计流程首先将车身身外部和内部的气流特性、侧风稳定性、气动噪声特性、泥土、灰造型设计的空气动力性能指标作为车身设计的出发点;通过计算流尘的附着和上卷、刮水器上浮以及发动机冷却、驾驶室内通风、空体力学对气动阻力和气动升力等动力性指标进行优化提高了燃油★来稿日期:201009-02*基金项目:上海高校知识创新工程(085工程)建设项目资助(D2090)由于橡胶皮带的泊松比=048,接近05,故将公式(22)进参考文献步简化,得二次简化公式[]濮良贵纪名刚机械设计[M]第7版)北京:高等教育出版社2002:(21)2]高泽远姚玉泉李林贵机械设计[M]修订版沈阳:东北大学出版由简化公式可知滑移率与有效拉力成正比,与皮带的初社,1991:107-116始截面积成反比。[3]全俊全永昕机械设计[M]北京:高等教育出版社,1979:75896总结[4]谈嘉桢机械设计基础北京:中国标准出版社,1994:111-117[5]罗善明余以道带传动理论与新型带传动北京国防工业出版社,(1)假设皮带传动中的流量守恒的基础上,推导了皮带传动滑移率及效率的计算公式,并简化得到更为简单实用的表达式[6]陈中国煤化工址19946在已知皮带带型和有效拉力的情况下,直接利用简化公式计算版社,2004:106-107可不用实验测试的方法,具有非常重要的工程意义。[8]王CNMH,2005:88-8(2)皮带传动的滑移率与有效拉力之间呈线性关系滑移率[9]吴望一流体力学[M]北京北京大学出版社,200576直线斜率与有效拉力成正比,与皮带的初始截面积成反比[10]邱香皮带式无级变速器设计理论的研究[D],200:4950第7期赵波等:基于空气动力学的车身造型设计的经济性能行使时的安全性能。基于空气动力学的车身造型设计型的选取、边界条件的添加等,其过程主要有:建立车身模型对也是虚拟制造技术在汽车工业设计上的次具体应用,是空气动力计算区域网格划分、定义边界条件、湍流模型的选取、计算数据处学和计算机辅助造型在汽车工业上的综合应用理等。通过分析可得到车身表面的压力分布图和速度分布图等汽车空气动力学是一门工程应用科学或经验科学,结论来并能计算出气动阻力系数CD和气动升力系数C等气动参数有自对工程试验数据的分析和推理,其发展过程主要经过下列三个助于进一步掌握汽车三维外流场的特性,进一步完善车身造型设阶段:基本形状造型阶段流线形造型阶段、汽车造型的整体优化计,不同种类车的气动阻力系数如表1所示。阶段。随着空气动力学及风洞试验技术的发展,人们对汽车绕流表1不同种类车的气动阻力系败特性有了充分认识,汽车空气动力学进入了汽车造型的整体优化气动阻力系数阶段。整体优化的原则是首先确定一个符合总布置要求的低阻形赛车和运动型跑车020030C=028042体在其发展成实用化汽车的每一设计步骤中,都应严格保证形轻型客车和公共汽车C=040080体光顺性使气流不从汽车表面分离称之为形体最佳化。数值模载货汽车C055-1.10拟方法可节省大型实验而花费的巨大财力、人力和物力,可在新31网格划分车设计初期的造型阶段进行空气动力性能及其它有关性能预测使用 FLUENT:软件进行分析用 GAMBIT进行网格划分。计为选型及造型修改提供依据。有利于较早地避免产品缺陷得到算网格的划分主要步骤如下:处理车身模型确定计算区域对计较理想的产品对于新型车抢占市场是极其重要的算区域进行离散化边界条件的确立。网格划分是数值模拟过程2车身模型的建立中最为耗时的部分,网格的质量很大程度上决定着数值模拟结果首先草绘车身造型图,造型方案通过后,建立三视图确定主的精确程度甚至数值模拟能否收敛。研究表明,对计算格式的改要的车身尺寸然后构造车身曲线和曲面,最后将各都分曲面逐步进所获得的计算精度的提高效果常不如网格质量提高的效果缝合,完成3D车身造型。使用UG软件完成车身模型,共缝合曲面数目达5300余个。对车身曲面进行光顺性分析这个过程需要反制,对参数变化梯度大的计算敏感区,应划分较密网格,其它区域复研究如图1所示,是完成的白车身。考虑到计算机硬件条件,为应根据需要安排网格稀密。对车身、地板等要求网格密度高的部了方便分析该模型带有车轮忽略车身外部突起物如后视镜刮分使用手动划分网格远离车身的部位采用自动划分方法。汽车周围的流体是空气,当空气速度小于13声速时,可以雨器等部分,对车身底部做了适当简化。在建立车身曲面的过程中,根据不同情况使用了多种方法,如直纹面、过曲线网格、扫掠及认为空气是不可压缩气体。从理论上讲计算区域的外边界应在桥接面等命令,逐步将白车身完成分析曲面的光顺情况当部车导外围的无穷远处,在整个仿真过程中般采取有限计算城代分曲面建立完毕即要对其进行分析,利用斑马线等分析法观察曲替无限计算域,近似认为来流无干扰,即车身周围为定流场。为了面曲率走势,不能出现明显的断裂变形,保证曲面的光顺模拟更接近真实状况,车身周围流场需要比车身大许多倍。模拟在车身造型设计初期,汽车外流场的数值模拟可以与计算车静止不动而空气从远处以恒定速度进入,形成定常流模拟车机辅助造型设计交叉进行,若通过数值模拟所获得的气动阻力系身行驶时正风的情况。根据经验流场仿真计算所取的计算域到数CB和或气动升力系数C等分析数据不满足设计要求,则必须达一定的大小时,汽车的流场就不再受计算域大小的限制假设车长L,宽W高H则计算区域根据经验取车前3L,侧面4W,上对车身造型图进行修改直至满足要求。部4H,后部6L32边界条件的设置FLUENT软件提供十多种类型的进出口边界条件,分别为速度入口、压力入口、质量入口、压力出口、无穷远压力边界、自由出流进口通风、进口风扇、排气扇、对称边界、周期性边界、固壁边界。车身外流场空间使用的进出口边界条件分别为速度人口压力出口汽车在空气中行使由于公路条件,一般车速在120kmh以下。模拟汽车以90km/h(25m)的速度匀速行驶,车身正面迎风的情况边界条件设定为5类:入口边界、出口边界、移动壁面、固定壁面利图1白车身渲染图中国煤化工边界,计算时给定速度3汽车三维外流场的数值模拟25m/sCNMHG汽车外流场数值模拟是一个非常复杂的过程,它包括很多出口边界:取车身后远端端面为出口边界,计算时给定压力方面的内容,如几何物理模型的准确性、冈格系统的质量、湍流模出口边界条件。机械设计与制造Jul2011车身为固定壁面,底部为移动壁面。身上部流过,(10-15)%在下面流过,25%在侧面流过,所以减小固定壁面(车辆模型外表面)边界:满足固定壁无滑移条件。车身上下的压力差,使大量气流流经侧面,可以减小升力。使底板对称面边界1:取汽车的纵向对称面所在的端面为对称面边界。下部流线型化,压低发动机罩前端,减缓前风窗倾角,都可以减小对称面边界2:取汽车外流场的上面及侧面两端面为对称面前端升力。作用于汽车上的升力将减小轮胎对地面的升力使轮边界胎附着力和侧偏刚度降低,影响汽车的操纵稳定性。3.3湍流模型的选取汽车的形状和雷诺数影响着其粘性特征,用雷诺数来判别流体是层流或湍流。层流在流动过程中分层而不互相干扰;湍流中各个物理量随时间和空间的变化都不规则。对于车身,雷诺是表征其周围粘性的无量纲系数。绕汽车的空气流动为高(雷诺数)Re数湍流流动,采用平均雷诺数下的N-S方程,计算得到的雷诺数达7x10°,用 Realizable k-ε淌流模型进行模拟。湍流是流体力学的疑难问题,至今对它的运动机理还不完全清楚,尚未建图3车身压力分布图立完整的湍流体系。Aa图4车身速度分布图通过汽车三维外流场的数值模拟,对车身造型多次修改,修改2004006009001000120014001600后再进行数值模拟,最后计算结果:气动阻力系数C。为0317,气动升力系数C为0056,车身压力分布、速度分布等情况均符合图2选代收效后的残差图正常规律,气动性能较好,满足设计要求对轿车外部流场的数值模,可以得到辆车外部该场的流4结论FLUENT后经过尺寸调整、求解条件设置油流模型的选取、定义基于汽车空气动力学的性能指标进行车身造型设计,通过流体的物理性质设置边界条件初始化、打开残差图、最后选代对气动阻力和气动升力等动力性指标的不断优化,为车身的选型为了观察计算时连续性情况,设置残差观察。如图2所示,选代及造型提供依据。模拟汽车以90kmMh(25ms)的速度匀速行驶,车1500次残差为一个逐步收敛的趋势,并最后得到收敛的结果。身正面迎风的情况,湍流模型用标准k进行汽车三维外流场的至此 FLUENT的设置已经完成,可以对仿真结果进行分析。数值模拟。用模拟结果对车身造型进行修改,得到比较满意的车34仿真结果分析身造型,有利于较早地避免产品缺陷,提高燃油的经济性能对于出现负压值较大的部位是前保险杠、发动机盖、顶盖、A柱、新型车抢占市场极其重要。侧面轮罩处。如图3所示,我们可以大致地了解车身表面的压力参考文献系数分布。远方来流由于在汽车前头顶点处受到垂直方向上的阻1]王森,刘振侠黄生勤 FLUENT在汽车外形设计中的应用机械设计与制造,2005(4):71-73滞,来流速度降为零全部动压变为静压,压力系数达到最大值约(2]梁建水轿车外流场CFD分析中常用k流模型的对比们]汽车工为497ePa程,2008(10):22-23.汽车后部负压区较多,前部总压力较后部要大,前后的压力(3]赵晓轻SUEs1节能赛车改进设计[1.上海工程技术大学学报,308差造成了汽车的压差阻力,这部分阻力占总阻力的主要部分,要4):31-35想降低汽车的气动阻力,必须设法使尾部的压力升高从而降低[4]韩占忠,王敬兰小平 FLUENT流体工程仿真计算实例与应用M]北压差阻力。后窗之间的过渡区域则存在一个绝对值较大的负压京:北京理工大学出版社200区。从这些压力云图中我们可以在设计过程中确定各部分的压力(5许室汽车外流场CPD模拟(合肥工业大学学报20712162状况,判断其各个部分是否需要安装挠流板等辅助设施,风窗处[6]W是否会积存雨水防止刮水器上浮。中国煤化工 for High Resolution AeroShape [C].The 4th MIRA在侧风作用下的高速汽车,车身前部可能有较大的局部升HiCNMHrnee,2002力汽车进风口处的冷却气流会使流过车身的气流发生明显的变(7]张建立,张国忠CFD在汽车空气动力学研究中的应用沈阳大学化,导致对升力的影响。作用在汽车上的空气,有(3540)%在车学报,20018):15-18.