基于空氣動力學的車身設計方法

許江

摘 要：文章簡要的闡述了基于汽車空氣動力學設計的方法，未來汽車外形設計所具有的特點，以及現如今車身設計方面所遇到的優化隨機性、盲目性等問題，并提出一種采用數學的迭代思維輔以計算機編程的方法，在一定程度上解決了該問題。

關鍵詞：空氣動力學；車身設計；迭代思維

引言

汽車已成為世界上最普遍的交通工具，在人們生活中不可或缺，中國成為世界上汽車保有量最大的國家，但隨之而來的問題就是汽車的尾氣污染，汽車的耗油等問題。此時空氣動力學在汽車上的應用就顯得尤為重要。通過CFD軟件對汽車進行氣動阻力分析，可以有效地調整汽車的外形設計，從而達到減小啟動阻力系數的目的。雖然每次的外形改變影響的阻力系數很少，但對于汽車保有量巨大的中國來說，降低的油耗是很可觀的，并且可以提高汽車加速度和最大行駛速度。如今的汽車造型設計師不僅需要空氣動力學知識，而且還必須有高雅的藝術品位和豐富的藝術知識。本文就從汽車造型的優化著手來說明空氣動力學對汽車的影響.

1汽車造型設計的方法

1.1局部最優化方法

基本思路是在滿足功能、功能、工藝學、人機工程學、安全法規以及美學造型等方面的要求下設計出汽車車身造型，然后進行空氣設計程序，即在汽車空氣動力學家的參與下，對原有車型細部如圓角半徑、曲面弧度、斜度等進行少量局部的修改，或者加裝擾流器、尾翼等氣動部件與裝置，一是啟動降低，流態更加穩定更趨合理。此方法的優點是：操作簡單，在流線型較差的車上有較好的效果。尤其是在目前的CFD仿真上成為國內外汽車空氣動力學分析的重要手段。通過對原始模型仿真，從結果中得出某細節修改的模型，再重新進行仿真分析。像這樣循環反復，最終達到自己預期的目標。這種方法在現實設計中運用廣泛。

1.2整體最優化

整體最優化是基于空氣動力學原理，在汽車造型設計初期獲得極佳的氣動特性的理想外形，接著再根據功能結構需求，調整集合的局部外形，使其滿足人機工程學、國家安全法規等各個必要因素的汽車[1]。所以，對于這種汽車的空氣動力學設計，初期的理想外形就顯得格外重要。該方法從最初就把汽車外形的空氣動力學性能放在第一位，全車身的整體造型呈流線型，這就對設計師提出了很高的要求。而在國內車企的設計中，車身設計大體完成后再開始考慮整體氣動性能，因此，此種方法在實際應用中并不多見。

1.3仿生學在汽車造型中的應用

仿生學是對生物系統的結構原理，形狀及行為進行研究，并將這一特點用用于工程實踐中的一門學科，是一種基于生命科學、工程技術、物質科學等領域的綜合性學科。在生活的其他領域，仿生學已經被廣泛的運用[2]。在汽車設計的初期，仿生學就開始被運用在造型設計之中。例如最初仿造的水滴形狀，甲殼蟲形汽車，魚形汽車。[29]所以仿生學是一門滲透性很強的學科，可以和現如今很多其他學和相互融合，并應用到其中，給人們帶來意想不到的結果.非光滑表面的減阻原理在汽車上的可行性試驗已經有了較好的模型分析，并證明了其有一定的減阻效果[3]。這種減阻方法，不僅不會給使用帶倆附加設備或額外能量消耗及空間占用，僅依靠直接改變壁面形狀就能產生減阻效果。如果真正能將其應用到汽車及其它實際生活中，將會有很大的發展。

2汽車造型設計中的問題

2.1造型優化設計之間中的沖突

局部最優化設計之間可能會有沖突問題。在局部最優化設計中常常單獨分析模擬要優化設計的部分以節省計算時間。但實際上汽車在行駛的過程中各部分的流場是一個整體相互影響。當兩個單獨模擬證明有效的設計方案應用在同一車型中，可能會有副作用，產生人力物力無謂的浪費。

2.2造型優化設計的盲目性

在局部最優化設計中，設計往往選取某些細節進行模擬分析以達到優化效果。但是對這些細節的選取是重中之重。在實際設計過程中，進行最優化設計時，汽車的總體外形已經初步成型，留給細節優化的空間其實已經很小。

3解決方案

基于迭代思想的造型優化設計方法步驟如下：通過CFD軟件模擬出原始車型的氣動阻力系數，列出所需要進行局部優化的部分，開始改動第一個局部，若通過優化找到最佳設計則進行第四步，以第三步優化的模型為基礎處，進行下一個局部的優化設計以此類推，直到所有局部優化完成并獲得較好的減阻效果。通過這種不斷的迭代求解，從而期望得到一個全局最優解。

5結論

經過以上討論分析我們可以得出以下結論：空氣動力學在汽車上的運用會越來與廣泛，將會結合仿生學等其他學科對汽車的外形進行改進和優化。隨著電動汽車的發展，以前空氣動力學在造型上的很多限制將會消失，更具美感和氣動性能的汽車將會出現。數學方法的更新將會影響汽車外形設計與改進所需要的時間精力，外形優化會避免盲目性、隨機性。

參考文獻

[1]ChengChunZhang.RenLuquan.LiuQingping.VonJiabo.QinYongming.Spinintobionicconcavesurfacetoreduceresistancetest[J]airdynamicsof2008（1）.

[2]RenLuquan.ZhuoJunYang.HanZhiwu.RenLuquan.YangZhuojuan.HanZhiwubiologicalnonsmoothsurfacewearbionicapplicationprospect[J]Journal ofagriculturalmachinery2005，36（7）.

[3]WuJun.Studyontheaerodynamiccharacteristicsofthevehicleoutflowfieldturbu lencemodelandthenewconceptvehicle：HunanUniversity，Changsha：HunanUni -versity，2006，23-30.