汽车凹坑型非光滑表面减阻特性的分析与优化
２０１３年（第３５卷）第１期 汽车工程 Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１３（Ｖｏ１．３５）Ｎｏ．１
２０ｌ３００９
汽车凹坑型非光滑表面减阻特性的分析与优化米
金益锋 ，谷正气 ，容江磊 ，贾新建 （１．湖南大学，汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙４１００８２；２．湖南工业大学，株洲４１２００７； ３．一汽一大众汽车有限公司，长春１３００１ １）
［摘要］ 本文中研究了凹坑型非光滑车身表面的减阻特性。首先探讨了凹坑单元体矩形、菱形、等差等不同 排列方式的减阻效果，选取了减阻效果较好的矩形排列方式；然后以单元体直径Ｄ、横向间距 和纵向间距Ｌ为设 计变量，以气动阻力最小为目标，采用拉丁方试验设计方法进行优化；接着利用ＣＦＤ仿真得到各样本点的响应值， 并据此建立Ｋｒｉｇｉｎｇ近似模型；最后在验证了近似模型的可信度基础上，以近似模型进行全局优化。结果表明：凹坑 单元体矩形排列最大可达７．６２％的减阻效果。 关键词：汽车；凹坑型非光滑表面；减阻；ＣＦＤ仿真；Ｋｒｉｇｉｎｇ模型；优化
Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ Ｄｒａｇ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
ｏｆ Ｃａｒ ｗｉｔｈ Ｐｉｔ－－ｔｙｐｅ Ｎｏｎ－－ｓｍｏｏｔｈ Ｓｕｒｆａｃｅ
Ｊｉｎ Ｙｉｆｅｎｇ ，Ｇｕ Ｚｈｅｎｇｑｉ 一，Ｒｏｎｇ Ｊｉａｎｇｌｅｉ ＆Ｊｉａ Ｘｉｎｊｉａｎ １．Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＡｄｖａｎｃｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｆｏｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｂｏ ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８２； ２．Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｕｚｈｏｕ ４１２００７；３．ＦＡＷ－Ｖｏｌｋｓｗａｇｅｎ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈａｎｇｃｈｕａ １３００１ １
［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｄｒａｇ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｐｉｔ—ｔｙｐｅ ｎｏｎ—ｓｍｏｏｔｈ ｃａｒ ｂｏｄｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．
Ｆｉｒｓｔｌｙ ｔｈｅ ｄｒａｇ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｒｅｃｔａｎｇｌｅ，ｒｈｏｍｂｕｓ ａｎｄ ｅｑｕａｌ—ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｉｔ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ａｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ
ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｂｅｔｔｅｒ ｄｒａｇ ｉ＇ｅｄｕｃｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｉｓ ｃｈｏｓｅｎ．Ｔｈｅｎ ａｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｂｙ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉ— ｍｅｎｔ ｗｉｔｈ Ｌａｔｉｎ Ｈｙｐｅｒｃｕｂｅ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ａｎｄ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｓｐａｃｉｎｇ ｏｆ ｐｉｔ ａｓ
ｄｅｓｉｇｎ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ａｎｄ ｍｉｎｉｍｉｚｉｎｇ ｄｒａｇ ａｓ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ．Ｎｅｘｔ，ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓａｍｐｌｅ ｐｏｉｎｔｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ＣＦＤ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗｈｉｃｈ ａ Ｋｒｉｇｉｎｇ ｍｅｔａｍｏｄｅｌ ｉｓ ｂｕｉｌｔ．Ｆｉｎａｌｌｙ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｆｉｄｅｎｃｅ ｏｆ ｍｅｔａｍｏｄｅｌ ｉｓ ｖｅｉｌ—
ｆｌｅｄ ａ ｇｌｏｂａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅｔａｍｏｄｅｌ ｉｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ａ ｍａｘｉｍｕｍ ｄｒａｇ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｕｐ ｔｏ ７．６２％ｃａｎ ｂｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｗｉｔｈ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ ｐｉｔ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃａｒ；ｐｉｔ－ｔｙｐｅ ｎｏｎ－ｓｍｏｏｔｈ ｓｕｒｆａｃｅ；ｄｒａｇ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；ＣＦＤ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｋｒｉｇｉｎｇ ｍｏｄｅｌ；ｏｐｔｉ－
ｍｉｚａｔｉｏｎ
日ＩＪ舌
目前汽车空气动力学的气动阻力特性优化主要 通过车身的流线形化和局部改进等方法来实现…，
由于这些方法研究日益成熟，降低阻力的空间越来
越小，汽车减阻进人一个瓶颈期。近年来，基于工程 仿生学理论的凹坑型非光滑表面结构的减阻研究迅
速发展 ，其中最典型的应用便是高尔夫凹坑球面。 高尔夫球在飞行过程中由于凹坑的存在使空气形成
的边界层紧贴球的表面，使平滑的气流顺着球形多
往后走一些，延迟了边界层与球体的分离，减小了尾 流区，减少了前后的压差阻力，从而使凹坑型球面的
高尔夫球比光滑球面的高尔夫球飞得更远。
国家自然科学基金（５０９７５０８３）、湖南省科技攻关计划重点项目（２００９ＪＴ１０１４）、教育部长江学者与创新团队发展计划 （５３１１０５０５００３７）和湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室自主课题（６１０７５００１）资助。 原稿收到日期为２０１１年８月２日，修改稿收到日期为２０１１年１Ｏ月１１日。
金益锋，等：汽车凹坑型非光滑表面减阻特性的分析与优化
图３非光滑处理区域选择
离。目前国际上关于凹坑减阻的研究仍然较少，没
有形成理论体系。因此，在研究初期凹坑型单元体
尺寸主要是根据边界层的厚度来确定。 平板层流边界层的厚度计算公式为
６（ｆ）＝０．０３５１￣Ｒｅ（ｆ） （１） 式中：６（Ｚ）为边界层的厚度；ｚ为平板的长度，将文中
研究的车身顶盖近似为平板，其长度取为１．５９４ｍ；
（ｆ）为雷诺数，其计算公式为 Ｒｅ（Ｚ）＝ｖｌ／ｖ （２） 式中： 为来流速度， ＝４０ｍ／ｓ； 为运动黏度系数， 取为０．０７２ ２ｍ ／ｓ。 对凹坑型非光滑单元体尺寸的选择主要考虑使 其深度小于边界层的厚度，经计算可得出单元体的
深度不能大于２１．１７ｒａｍ。 在进行ＣＦＤ仿真时，评价减阻效果主要是以降 阻率ＡＣ。／Ｃ。来评定：
Ａ ＣＤ／ＣＤ＝（ＧＤ凹坑化后一ＣＤ原车）／ＣＤ原车
３ 凹坑结构尺寸设计与排列方式
３．１ 凹坑结构尺寸设计 在进行凹坑型单元体排列时主要考虑单元体的 尺寸：直径Ｄ、横向问距 、纵向间距 和凹坑深度
Ｓ，见图４。为了设计与排列方便，取深度ｓ为直径Ｄ
的一半。根据计算模型最大边界层厚度、车身顶盖 的尺寸、汽车行驶速度和凹坑单元体之间防干涉的
要求，给定Ｄ、 、 和Ｌｓ的取值范围分别为［１０，４０］、
［６０，１６０］、［６０，１６０］和［５，２０］，单位为ｍｍ。 ３．２ 凹坑单元体排列方式的影响 根据大量的仿生学实验可知，例如土壤动物蜣 螂在土中运动自如一方面得益于其体表的非光滑单
元体凹坑形状，另一方面得益于其凹坑单元体的排
列方式。为此在研究凹坑型非光滑车身表面的减阻
性能时，要考虑其排列方式的影响。本文中选取了 图４单元体尺寸示意图
常见的３种排列方式：矩形排列、菱形排列和等差排 列，如图５所示。
图５ ３种排列方式
本文中选取Ｄ＝１５ｍｍ， ＝１２０ｍｍ，Ｌ＝１２０ｍｍ， 对这３种排列方式进行ＣＦＤ仿真，其结果见表２。
表２ ３种排列方式ＣＦＤ仿真结果
排列方式 原车 矩形 菱形 等差
ＣＤ ０．２７ｌ ７ ０．２６５ ９ ０．２６７ ９ Ｏ．２７１ ２
降阻率／％ 一２．１３ —１．４０ —０．１８
由表２可知，３种凹坑型单元体排列方式中矩
形排列减阻效果最佳，降阻率达２．１３％。
汽车＿［程 ２０１３年（第３５卷）第ｌ期
４ 凹坑型非光滑表面优化设计
４．１ 优化流程与设计变量的选取
根据３种排列方式的ＣＦＤ仿真结果知，矩形排
列方式减阻效果最佳，故以矩形排列凹坑型非光滑 表面作为优化对象。整个分析与优化过程如下：
（１）确定设计变量，使用拉丁方设计方法选取样本 点；（２）通过ＣＦＤ仿真得出各样本点的响应值，并以
样本点和响应值构建近似模型；（３）选取３组新的样
本点验证近似模型的精度，若不精确则须重新选取 样本点；（４）在验证近似模型可信度的基础上，利用
优化算法在满足约束条件的区域内实现全局寻优，
得到最优解，最后再回代到仿真模型中校核计算，如 图６所示。
图６优化流程简图
以Ｄ、 和，Ｊ为设计变量，寻求最优的组合，以
达到最大的减阻效果，即求得最小ｃ 值。
４．２试验设计 ， 根据设计变量的取值范围，采用拉丁方抽样方
法 选取２０组样本点进行ＣＦＤ模拟计算，得到２０
组响应值。各设计变量对Ｃ 值的影响关系如图７
所示，Ｄ等表示单个设计变量对ｃ 的影响，Ｄ一 等
表示两个变量对Ｃ 交互影响，Ｄ 等表示设计变量
平方对Ｃ 的影响。
从图７可见，对ｃ 影响最大的设计变量是，Ｊ，Ｄ
次之， 影响最小。Ｄ与 之间的交互效应最为明 ￡ Ｄ－ Ｄ—Ｌ Ｄ
￡２ Ｄ Ｌ
罔７凹坑型非光滑汽车Ｃ 的Ｐａｒｅｔｏ图
显，，Ｊ和Ｄ次之， 和 之间的交互效应最小。虽然
对气动阻力的影响较小，但是 与其他参数之间 交 效应对Ｃ 的影响不能忽视。
４．３近似模型的建立 近似模型是指在不降低计算精度情况下构造的
一个计算量小、计算周期短，但计算结果与数值分析 或物理实验结果相近的数学模型 Ｊ，用于代替计算
代价高昂的仿真分析软件，大幅提高分析效率，同时 剔除仿真软件的“计算噪声”。用于构建近似模型
的方法主要有：响应面模型、Ｋｒｉｇｉｎｇ模型、径向基神 经网络模型和泰勒级数模型等。
与其他模型相比，Ｋｒｉｇｉｎｇ模型构建的近似面可
以覆盖所有的样本点，近似面质量很高，因此采用
Ｋｒｉｇｉｎｇ模型构建近似模型。
为了检验所建立的近似模型的拟合精度，在设 计卒问中选取试验设计方案外的任意３个实验点进
行ＣＦＤ仿真，并与近似模型的计算结果进行对比， 如表３所示。
表３验证结果
设计变量／ｒａｍ 结果比较 Ｄ ，Ｊ ＣＦＤ仿真俯 近似模型值 相对误差／％ ２０ １ＯＯ １０Ｏ ０．２６８ １ ０．２６２ ８ １．９８ ２８ ８０ ８０ ０．２６３ １ ０．２５９ ８ １．２５ ３６ ９０ １ＯＯ ０．２６７ ２ ０．２６２ １ １．９１
由表３可知，验证点的ＣＦＤ值 ｊ近似模型值相
差均在２％以内，这表明所建立的近似模型可以很
好地描述设计变量与响应值之问的关系，可信度较
高，可取代直接的ＣＦＤ计算。
４．４优化结果与分析
多岛遗传算法（ｍｕｈｉｐｌｅ ｉｓｌａｎｄ ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，
ＭＩＧＡ）建立在传统遗传算法基础上。它不同于传统
遗传算法的特点是：每个种群的个体被分成几个子 ＿ｒ１］— ｒ１Ｊ１＿
１］—１］
汽车空气动力学中的阻力分析与优化研究
汽车空气动力学中的阻力分析与优化研究
第一章 汽车空气动力学概述
在汽车行驶中，空气阻力是影响汽车行驶性能和燃油消耗的重要因素之一。因此，对汽车空气动力学研究进行阻力分析和优化，可以有效提高汽车的行驶性能和降低燃油消耗。汽车空气动力学是研究汽车在空气中运动过程中的物理特性，包括气流、空气动力学力学和空气动力学热力学等方面。
第二章 汽车空气阻力的分类和计算
汽车空气阻力主要包括气动阻力、滚动阻力和辅助器械阻力，其中气动阻力是主要的阻力来源。气动阻力由静阻力和动阻力组成，静阻力是指汽车表面与空气相接触时所引起的阻力，动阻力则是指气流与汽车表面相互作用所产生的阻力。阻力的计算方法一般采用CFD计算和试验测量两种方式。
第三章 汽车空气动力学优化研究
针对汽车空气阻力的主要来源，可以通过多种方法进行优化，如改善车身外形、改进车身细节设计、减小车身前缘面积、改善车底气流、改善车辆轮廓等。优化研究的方法和手段主要采用CFD计算和试验测量相结合的方法，以实现阻力的最大降低和能耗的最小化。
第四章 汽车空气动力学与新能源汽车 随着新能源汽车的发展，汽车空气动力学和阻力优化也成为研究的热点。新能源汽车相比传统燃油车型，能源利用效率更高，在空气动力学方面也存在明显差异。在新能源汽车空气动力学研究中，优化电机与电池的散热系统、提高电动汽车电池的密封性、减小车辆轮廓等都可以有效降低空气阻力，提高车辆行驶效率和续航里程。
第五章 汽车空气动力学在汽车工程领域的应用前景
汽车空气动力学的应用范围十分广泛，包括了汽车设计、汽车工程、汽车性能优化等方面。在未来，随着汽车技术不断提高和新能源汽车市场的扩大，汽车空气动力学的研究和发展空间也将越来越大。同时，汽车空气动力学也将与先进的材料、电子、计算机等技术相融合，促进汽车效率和性能对全球汽车产业的进一步挑战和促进。
结论
汽车空气动力学阻力分析和优化研究是汽车行业的一项重要任务。通过优化空气动力学，可以提高汽车行驶效率和降低燃油消耗，提高汽车性能和环保水平，对于未来汽车工程的发展有着重要的意义。
车辆仿生结构气动特性分析与优化
车辆仿生结构气动特性分析与优化
倪捷;刘志强;秦洪懋;范秦寅
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2018(000)003
【摘 要】以Ahmed车辆为研究对象,采用CFD数值模拟的方法,研究非光滑棱纹仿生结构对车辆空气动力学特性的影响.对不同行驶速度下原车尾涡速度矢量分布以及升阻力系数的仿真计算,并根据风洞试验结果验证数值模拟的有效性.在原车尾部设计非光滑棱纹仿生结构,以阻力系数和升力系数为优化设计目标函数,以仿生结构的几何尺寸,空间布置尺寸,以及行驶车速作为设计变量,建立Kriging近似模型,并采用多目标遗传算法进行带有棱纹仿生结构的Ahmed车辆模型优化分析.经CFD验证,优化后的带有棱纹仿生结构的Ahmed车辆模型阻力系数降幅约为5%,升力系数降幅约为29.35%,能够起到显著的减阻增稳效果.计算结果也表明,建立的Kriging近似模型的误差为2%左右,可信度较高.
【总页数】4页(P244-247)
【作 者】倪捷;刘志强;秦洪懋;范秦寅
【作者单位】江苏大学 汽车与交通工程学院,江苏 镇江212013;江苏大学 汽车与交通工程学院,江苏 镇江212013;清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084;大阪大学 工学部,日本 大阪5650871
【正文语种】中 文
【中图分类】TH16;U469.11 【相关文献】
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3.气动人工肌肉驱动的柔性仿生肩关节结构设计与优化 [J], 李芳; 吴阳; 刘凯
4.工程车辆散热器的传热特性分析与结构优化 [J], 钱学成;刘佳鑫;李建功;程亮;张宝斌
5.基于虾螯结构的仿生薄壁管吸能特性分析及优化 [J], 黄晗;许述财;杜雯菁;邹猛;宋家锋;张金换
汽车车身外形设计中的空气动力学性能优化
汽车车身外形设计中的空气动力学性能优化
近年来，汽车行业逐渐意识到汽车车身外形对空气动力学性能的重要性。优化汽车车身外形可以降低车辆的空气阻力，提高燃油经济性、加速性能以及稳定性。本文将探讨汽车车身外形设计中的空气动力学性能优化。
一、空气动力学基础
空气动力学是研究空气在物体表面产生的压力和阻力的科学。在汽车车身设计中，空气动力学性能优化主要涉及两个基本要素：空气阻力和升力。空气阻力是汽车行驶时与空气作用的阻碍力，而升力则是垂直于行驶方向的力。
二、减小空气阻力
减小空气阻力是提高汽车燃油经济性的关键。以下是一些常见的空气动力学设计方法，用以降低汽车的空气阻力。
1.流线型外形设计
流线型外形能够减少车身表面的湍流，从而减小空气阻力。主要设计原则包括：合理的前脸设计、降低车头高度、光滑的车身曲线和尾部造型等。
2.减少气流分离 气流分离是指气体从车身表面脱离或分离的现象。当气流分离发生时，会形成大量的湍流，增加空气阻力。通过在车身上增加导流板、风挡和尾翼等设计元素，可以将气流控制在车身表面，减少气流分离。
3.光滑下部
车辆的底部也是空气阻力的重要源头。通过在车底进行空气动力学优化设计，如增加护板和平滑底盘，能够减少下部的湍流和阻力。
三、提高稳定性与升力控制
在汽车车身外形设计中，除了降低空气阻力外，还需要关注车辆的稳定性和升力控制。
1.增加下压力
通过改变车身设计和增加扰流器等装置，可以增加车辆的下压力，使车辆更加稳定。下压力可以加强轮胎与地面的附着力，提高操控性和行驶稳定性。
2.控制升力
升力是指车辆在行驶过程中产生的垂直于行驶方向的力。过大的升力会降低车辆的稳定性和行驶安全性。通过设计车身的空气动力学特性，如增加扰流器和尾翼等，可以有效地控制和减小升力。
四、综合考虑其他因素
除了空气动力学性能优化外，汽车车身外形设计还需要综合考虑其他因素，如乘客空间、安全性和美观性等。 1.乘客空间和安全性
汽车空气动力学的优化与降阻技术
汽车空气动力学的优化与降阻技术
在汽车工业的发展中，空气动力学的优化与降阻技术扮演着至关重要的角色。通过减少汽车在行驶过程中所受到的空气阻力，可以提高汽车的燃油经济性、降低噪音和排放，在提高驾驶舒适性的同时也有利于提高汽车的整体性能。因此，汽车制造商和设计师们不断努力寻找新的技术和方法，以优化汽车的空气动力学性能和降低阻力。
一、减少空气阻力的设计理念
为了减少汽车在行驶时所受到的空气阻力，汽车设计师们采用了一系列的设计理念和技术手段。首先，在车辆的外形设计上，通过减小前面积、优化车身曲线和借鉴飞机翼型等方式，可以减少空气对车辆的阻力。此外，还可以通过降低车身高度、增加车身侧面倾斜度和尾翼形状等手段来减小空气阻力。这些设计理念和技术手段的综合运用，可以大幅度降低汽车的空气阻力，提高汽车的性能和燃油经济性。
二、空气动力学模拟与试验验证
在汽车空气动力学的优化与降阻技术中，空气动力学模拟和试验验证是不可或缺的环节。通过使用计算流体力学（CFD）软件对汽车的外形进行模拟和分析，可以准确地预测汽车在行驶过程中所受到的空气阻力和压力分布。同时，还可以通过风洞试验对模拟结果进行验证和修正，以确保优化方案的有效性和可行性。空气动力学模拟与试验验证的结合，为汽车设计师们提供了快速、准确的设计和改进空气动力学性能的手段。 三、流体力学喷气推进技术
除了在汽车的外形设计上进行优化外，流体力学喷气推进技术也是一种有效的降阻技术。这种技术通过将空气动力学原理与流体力学技术相结合，通过喷气推进的方式来降低汽车的空气阻力。喷气推进技术的应用可以使车辆在行驶中产生一定的向后推力，进而减小车辆所受到的空气阻力，提高燃油经济性和性能。
四、自适应巡航控制系统
自适应巡航控制系统是另一种优化汽车空气动力学性能和降低阻力的技术。该系统通过在车辆上安装各种传感器和控制装置，可以实时地感知和监测车辆周围的环境和空气动力学状况，并对车辆的速度和行驶方式进行调整。通过智能的控制算法和自动化技术，自适应巡航控制系统可以使车辆在不同的行驶条件下选择最佳的速度和行驶方式，从而最大程度地降低空气阻力，提高汽车的燃油经济性和性能。
轿车翼子板屈曲抗凹性能分析及优化
轿车翼子板屈曲抗凹性能分析及优化
作者：***
来源：《汽车与驾驶维修（维修版）》2023年第12期
关键词：屈曲抗凹；覆盖件；CAE ；优化设计
中图分类号：U463.83+2 文献标识码：A
0 引言
汽车覆盖件是指构成汽车车身或驾驶室、行李舱等的金属板件，是汽车的重要组成部分。汽车覆盖件的质量指标主要包括以下几个方面：尺寸精度、表面质量、力学性能、金相组织、焊接质量、装配质量和耐腐蚀性等。在设计生产时，要符合工艺要求和产品标准，以保证汽车的安全性和使用寿命。
翼子板是遮盖车轮的车身外板，是安装在汽车车轮周围的金属板，主要作用是防止车轮在行驶过程中溅起的泥土、石子等杂物飞到车身和其他车辆上，同时也可以保护车轮和制动系统不受外界杂物的侵害。翼子板在设计时要保证前轮转动及跳动时的最大极限空间，因为其所处特殊位置，在使用中容易受到外载荷的作用，如人为接触按压等，使其局部凹陷或产生永久变形。
屈曲分析主要是一个涉及结构力学的问题，主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷。其基本原理是计算结构在给定载荷下的弹性变形和应力分布，并确定结构的屈曲模态和屈曲载荷[1]。本文针对某车型翼子板屈曲抗凹性能进行分析，对其优化方案进行论证，最终达到目标要求。 1 有限元模型建立
有限元模型的前处理是有限元分析的关键步骤之一。建立有限元模型首先要确定研究对象，包括其几何形状、边界条件和材料属性等。其次是划分单元，也就是将研究对象划分为若干个单元，每个单元由若干个节点组成。单元的形状和大小应该根据研究对象的几何形状和受力情况来确定。在划分单元之后，需要定义每个节点的坐标和自由度。节点的自由度取决于研究对象的运动方式和约束条件。最后是定义单元属性，如弹性模量、泊松比等。
翼子板有限元模型主要是车身外板翼子板部件，通常采用壳单元模拟。壳单元是一种用于模拟薄壁结构的有限元单元，它是一種二维结构单元，通常用于模拟平板、壳状结构和管道等具有一定厚度的结构。其特点是在其厚度方向上的变形相对较小，而在平面内的变形相对较大。因此，壳单元可以有效模拟结构的弯曲、扭转、拉伸和压缩等变形。其计算效率高，可以有效地减少计算时间和计算成本。同时，还可以有效地模拟结构的局部变形和应力集中等问题[2]。
乘用车外覆盖件抗凹性分析
乘用车外覆盖件抗凹性分析
1. 概述
抗凹性是指车辆外覆盖件抵抗外加负荷在其表面产生凹陷的能力。这种性能对于部件耐久性有
实际意义, 因为汽车使用过程中难免受到撞击磕碰，导致外表面产生压痕, 不仅破坏车辆外观，
而且可能打掉油漆造成锈蚀。所以车身设计中必须保证外覆盖件表面能够承受一定的载荷而不
发生过大变形。
抗凹性的重要性还体现在它可以影响用户对于车体坚固程度的判断。用户无法感受车身内部的
用料和结构，只能接触到外覆盖件。用户通常会用手掌或手指来按压汽车外表面，根据外表面
刚性来评价车身的结构性能，因此外覆盖件抗凹能力一直是许多用户购车的参考指标之一。
影响抗凹陷性能的因素非常多，例如料厚、弹性模量和屈服强度、表面曲率、支撑条件、载荷
特性等。整车轻量化和节能是现代汽车工业的主流方向，车身板材减薄成为整车减重的主要手
段之一，整车厂目前倾向于使用更薄的板材来制造外覆盖件，这就给抗凹性能带来了挑战。
2. 外覆盖件的刚度响应和评价指标
抗凹性试验是将外覆盖件装配成总成，然后将试验样件装配到支架上，用准静态载荷将试验压
头垂直压向外覆盖件表面，测量得到如图1所示的载荷-位移曲线。
图1 外覆盖件表面载荷-位移曲线
准静态载荷作用过程中，外覆盖件表面表现出三个明显的刚度响应阶段：初始刚度段(即弹性
段)、第二刚度段(即平滑段)、最终刚度段(即硬化段)。在平滑段，特定情况下可能发生失稳（即
Oilcanning效应），表现为载荷突然变小而位移迅速增大。失稳现象的载荷-位移曲线如图2所
示。 试验中如果发生失稳，会表现出明显的回弹声。
图2 发生失稳的载荷-位移曲线
获得载荷-位移曲线后，就可以对抗凹性能进行评价。通常要求满足以下条件：
1）施加一定载荷时位移量控制在一定范围内；
2）卸载后残余变形足够小，表现为无明显压痕；
3）加载过程不发生Oilcanning效应，表现为不出现回弹声。
3. 压头模型和静载荷
不同汽车企业的试验压头差别很大，材料、外形和尺寸都不同：有弹性和刚性压头，形状分球
车辆空气动力学优化与降阻
车辆空气动力学优化与降阻
汽车行驶的速度与燃油消耗密切相关，而车辆空气动力学设计与优化能够在一定程度上减小气动阻力，提高车辆的燃油经济性。本文将介绍车辆空气动力学优化的重要性，以及常见的降阻措施。
一、车辆空气动力学的重要性
车辆在行驶过程中，空气阻力会对车辆的稳定性、燃油经济性和行驶安全性产生影响。而降低空气阻力，即降低车辆的阻力系数（Cd值），能够提高车辆的性能和燃油效率。
二、优化车辆外形设计
1. 选择合适的车身形状
合理的车身形状能够减小车辆在行驶过程中所受到的气流阻力。流线型的车身设计可以减少空气的湍流和阻力，例如车头部分采用较为流线型的设计，车尾部分则采用下倾的方式。
2. 降低车身截面积
减小车辆的侧面积，能够减小车辆所受到的侧风对车辆稳定性的影响，如减小车后视镜的尺寸、减小轮拱的空间等。
3. 安装风阻小的车灯和车窗
优化车辆的车灯和车窗设计，尽量采用较小的设计，减小车灯和车窗所受到的气流阻力。 三、减小车辆细节处的阻力
1. 优化车辆进气系统
合理的进气系统设计能够提高发动机的燃烧效率，减小发动机所需的燃油供给，从而减小整车的能耗和阻力。例如，在进气系统中设置空气流动较为顺畅的导流板、进气口等。
2. 改善车底部空气流动
车辆底部所受到的气流阻力也是影响车辆空气动力学性能的重要因素。在车辆底部设置合理的空气导流板和隔板，减小底部的气流湍流和阻力。
3. 减少车辆细节处的阻力
对车辆的细节处，如车轮轮毂、车门缝隙等，进行合理的设计和封闭，能够减小气流阻力的产生。
四、运用现代科技手段进行优化
1. 数值模拟
通过数值模拟方法，对车辆的空气动力学性能进行评估和优化设计，能够降低实验成本和时间，提高优化效率。
2. 风洞试验
将车辆放入风洞进行空气动力学性能测试，获取车辆在真实行驶状态下的阻力系数和气流特性数据，为车辆的优化设计提供实验依据。 3. 气动力学仿真优化
利用计算流体力学仿真工具，对车辆的空气动力学性能进行模拟和仿真优化，寻找最佳的空气动力学设计方案。
仿生非光滑表面减粘降阻研究综述
２０１０年第９卷第３期（总第１４６期） 仿生非光滑表面减粘降阻研究综述 乔立民，单树森，陈建军 （空军航空大学，吉林长春１３００２２） 摘要：综述了动物体表非光滑形态，描述了仿生非光滑表面作为新兴的应用科学技术在多方面的应用。 关键词：仿生；非光滑；减粘降阻；综述 中图分类号：ＱＳ１１．２１３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—８０８９（２０１０）０３－００３４－０２ 一、引言 仿生学是－－Ｉ＇１模拟生物系统的原理来建造技术系统，或使人 造系统具有类似生物系统特性的科学，分为形态仿生、功能仿生、 结构仿生和机理仿生四个方面。仿生非光滑表面的设计研究是结 构仿生一个分支，它是利用生物体表的非光滑形态设计出仿生模 型。 非光滑表面是指在光滑表面基体上至少在某一方向上引起 非光滑效应的区域的表面。非光滑效应是存在于界面粘附系统或 摩擦系统中固体表面自身影响切向阻力的各种现象。由于非光滑 效应的不同而存在多种非光滑表面，如：由几何结构引起的几何 非光滑表面、力学变化引起的力学非光滑表面、化学成分引起的 化学非光滑表面、柔性效应引起的柔性非光滑表面。 二、动物体表非光滑形态 对典型土壤动物的研究表明其体表普遍存在着几何非光滑 特征，其特点是一定几何形状的结构单元随机地或规律地分布于 体表某些部分，结构单元的形状有鳞片形、凸包形、凹坑形、棱纹 形和刚毛形等。如图１所示，蜣螂头部推土板表面为凸包形非光 滑形态，鞘翅表面为波纹形非光滑形态，胸节背板表面是凹坑形 非光滑形态；步甲鞘翅表面为凸包形非光滑形态，其共同特征都 是波纹形。每一部位的不同形态都有不同的作用，经过其本身的 进化，能够更好的适应其生活环境。而沿土壤动物躯体纵向的体 表轮廓呈波纹形曲线，同一土壤动物体表各部位呈现的几何非光 滑形态各异，这与土壤动物对环境适应的生物进化过程，特别是 不同部位的触土方式有关。 对蜣螂的体表进行研究，凹陷和隆起构成蜣螂的非光滑表 面。头和胸背部的隆起、头和前胸背板密集的鱼鳞状、圆盘状凹
发动机进气道三维数值模拟及仿生设计
发动机进气道三维数值模拟及仿生设计
王国林;付晶
【摘 要】基于仿生学的基本原理,提出一种能降低发动机进气喉管阻力的仿生非光滑结构形式,并以170F柴油机进气道为分析对象,利用计算流体力学方法研究了仿生非光滑进气喉管对发动机进气阻力的影响.建立170F型柴油机进气道Fluent分析模型(发动机进气道内空气流动域、边界条件及初始条件),进气道气体的湍流现象采用SST k-o模型模拟.为提高计算效率,对计算域进行多块离散.进气道内的空气流动仿真分析结果表明:在进气道喉管处添加凹坑型非光滑表面后,进气道进气阻力减小14.2％左右,流通系数提高1.2％左右.
【期刊名称】《重庆交通大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2013(032)005
【总页数】5页(P1055-1058,1081)
【关键词】发动机进气道;仿生非光滑;减阻;数值分析
【作 者】王国林;付晶
【作者单位】江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013;江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013
【正文语种】中 文
【中图分类】TK411.3
进气道是发动机的重要组成部分，其结构设计直接影响进气量和流通系数，进而影响燃烧质量及排放物的生成。在进气管尺寸一定的条件下，流通系数取决于进气阻力。研究表明，对于大功率高速增压中冷柴油机，从最大扭矩点到标定转速点，进气阻力每增加1 kPa，功率降低 0.3% ～ 0.7%，燃油消耗率升高0.3% ～0.6%，排气温度升高0.9% ～1.7%［1］。
为降低进气道阻力，许多学者在进气系统优化方面做了大量研究工作。北京理工大学的周磊，等［2］通过分析进气道内部三维流场及横截面面积变化，提出缩小气门杆后部的气流停滞区可以提高4% ～11%的进气量。江苏大学的刘胜吉，等［3］以168F汽油机为研究对象，通过对进气道参数的优化设计，消除了原样机进气道流通截面积的突变，减少了流通阻力，提高了充量系数。中科院工程热物理研究所的付经伦，等［4］在不改变原机气道形状的基础上，利用稳流试验的方法研究了进气道位置的优化问题。由此可见，为提高发动机充量系数，进气道优化方面的研究主要是从进气道形状，材料，布置位置等方面展开的，而通过改变空气流动的壁面阻力来优化发动机进气道的研究报道并不多见。
具有非光滑表面的仿生减阻材料的研究简介
第２卷第４期 ２ Ｏ Ｏ ８年１ ２月 材料研究与应用 ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩ（）Ｎ Ｖｏ１．２，ＮＯ．４ Ｄｅｃ．２ Ｏ Ｏ ８
文章编号：１６７３—９９８１（２００８）Ｏ４一Ｏ４５５一Ｏ５
具有非光滑表面的仿生减阻材料的研究简介＊
李光吉 ，蒲 侠 ，雷朝媛 ，苏炳煌 ，鲁 毅
（１．华南理工大学材料科学与工程学院．广东广州 ５１Ｏ６４Ｏ；２．深圳市百安百科技有限公司，广东深圳 ５ｌ８Ｏ６７）
摘要：介绍了几种典型的水生和陆生动物体表非光滑表面的减阻特性、减阻机理及对其进行仿生研究 与应用的成果．这种基于非光滑表面的仿生减阻抗粘技术已成为仿生学研究和应用的一个新领域． 关键词：非光滑表面；减阻；仿生材料；减阻机理；抗粘 中图分类号：ＴＢｌ７ 文献标识码：Ａ
船舶在运动时，由表面摩擦所引起的阻力约占 总阻力的７Ｏ ～８Ｏ ，在高速运动时，摩擦阻力约
占总阻力的４０ ９／６左右．现代民用飞机在飞行时表面 摩擦阻力几乎占总阻力的５Ｏ％，管道运输中８Ｏ 以
上的能量消耗在表面摩擦阻力上Ｌ１］．因此，减小运动 物体表面与流体之间的摩擦阻力对于设计和制造流
体输送设备、交通工具等都是非常必要的．设计和制 备具有减阻功能的新材料无疑是实现节能降耗的重
要途径之一． 科学家们发现，海洋中的速度之王“鲨鱼”、“海 豚”，在潮湿土壤中能够运动自如而不粘土的蚯蚓、
蜣螂等生物体都具有非光滑的表面结构．这种非光 滑表面具有神奇的微纳结构特性，使之表现出优异
的减阻、抗粘附和抗磨损的能力．因此，非光滑表面 仿生学成为一个新的研究领域．本文着重介绍三种
典型非光滑表面的减阻和抗粘特性、减阻机理及其 在仿生材料领域的应用．
１ 仿生非光滑表面减阻机理的分析
１．１ 自适应性非光滑表面的减阻特性及减阻机理
海豚的皮肤如图ｌ所示，最外面的表皮上有薄 而光滑的角质膜，中间的真皮层上长有许多乳突，