造型初期的汽车气动外形减阻优化设计

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1、———————————————————————————————造型初期的汽车气动外形减阻优化设计———————————————————————————————AutomotiveAerodynamicShapeOptimizationtoReduceDragintheStylingPhase作者姓名：丁伟领域（方向）：工业设计工程指导教师：张英朝副教授类别：工程硕士答辩日期：2015年5月31日摘要造型初期的汽车气动外形减阻优化设计随着近几年中国汽车工业的飞速发展，汽车的保有量在不断攀升。油价上涨、节能减排成为全社会必须面对的问题。尤其对于汽车企业，开发出低油耗的产品是其产品研发能力的体现。

2、汽车在行驶过程中有很大一部分的燃料消耗用于克服气动阻力，而汽车的气动外形则直接决定其气动阻力水平。因此优化汽车的气动外形对提高其燃油经济性有巨大的意义。传统的汽车气动外形优化过程是一个基于工程师经验的循环迭代过程，消耗大量的人力物力，已不再适用于现代汽车开发流程。为了缩短设计周期、降低成本，本文立足于汽车造型设计流程，结合计算机辅助造型（CAS）、计算流体动力学（CFD）、网格变形技术（Morpher）和优化方法等多种数字化仿真设计手段，基于商业软件搭建出汽车气动外形的自动优化流程。目的是将其应用于汽车的造型阶段，实现快速有效的气动减阻，同时研究各设计变量对气动阻力的影响规律，为造型设计开发

3、提供指导。本文针对一款两厢车的造型设计开发来开展气动外形优化研究工作。实际工程中，在完成造型创意设计等环节后，CAS工程师会提供一个用于CFD分析的CAS模型。本文先对初始CAS模型进行CFD分析，主要有两个目的：（1）、实现CFD计算过程的自动化；（2）、通过分析流场特性来确定需要考虑的设计变量，一共八个，其中车身前部包括：前风窗倾角、发动机罩倾角、接近角、前脸弧度；车身后部包括：后风窗倾角、顶盖后缘高度、离去角、尾部收缩。为了分别考虑车身前部和后部特征的影响，首先进行车身前部气动外形的优化研究。通过建立的基于多平台的气动外形优化流程，研究各个设计变量对气动阻力的影响、拟合出气动阻力与各个

4、设计变量的关系曲线等。在对车身前部的外形进行优化之后，整车气动阻力有5.64%的降幅。同时，单独研究车身后部气动外形的优化，同样包括各设计变量对气动阻力的影响、拟合阻力与各变量的关系曲线等。在对车身后部外形进行优化之后，整车的气动阻力有7.21%的降幅，要优于前部的优化效果，这也表明车身后部的设计变量对气动阻力的影响程度要大于前部的设计变量。I从对车身前、后部外形进行优化的工作中选出了六个重要的设计变量，进行整车的气动外形优化。整车气动阻力降幅达10.34%，达到了在不影响整车造型风格的前提下，实现气动阻力的降低，结果令人满意。通过应用本文提出的多平台的气动外形自动优化方法，有如下几点经验与

5、结论：（1）、车身前部四个设计变量两两之间的交互作用不明显，造型时可以不必过多考虑它们之间的交互作用；而在后部的四个设计变量中，两两之间均有交互作用，交互作用明显并且是相互促进的，在造型时，若某个设计变量的变化范围有限，可以通过与之有交互作用的设计变量来耦合，以达到更大的降阻效果；同时，前后部的设计变量之间存在交互作用，不是相互独立的。（2）、在这八个设计变量中，前脸弧度以及离去角对气动阻力的影响较小，而接近角以及顶盖后缘高度的影响较大，同时后部的设计变量对阻力的影响要更大。（3）、根据近似模型的拟合结果，除了前风窗倾角这个变量外，其余七个变量与气动阻力之间均是非线性关系，而且需要注意的是离

6、去角与阻力之间的关系曲线是先递减、后递增，在离去角为3°时阻力达到最低。（4）、近似模型对最终优化结果的准确性有很大的影响，例如：在前部优化时采用二阶响应面建立近似模型，优化结果的误差仅为0.17%，而同样的算法用于后部优化时，误差为1.7%。因此需要根据具体的优化问题以及实际结果验证来合理选择近似模型的算法。（5）、在优化减阻时，要整体考虑车身前后部的设计变量，这要比单独考虑一者的效果更好。本文研究的自动优化流程，不仅快速有效地降低了整车的气动阻力，而且能有助于工程师研究车身上各个设计变量对整车流场的影响，对于汽车气动外形的开发有一定的指导意义。本文进行的某款两厢轿车造型设计方案进行的优化

7、设计应用，结果可信，减阻效果明显，该方法已经能够实际应用于汽车企业产品开发的造型流程中。关键词：汽车，造型初期，气动外形，减阻，自动优化IIAbstractAutomotiveAerodynamicShapeOptimizationtoReduceDragintheStylingPhaseWiththerapiddevelopmentofChineseautomobileindustry,theownersh