CN104239656A - 车身凹坑型非光滑表面特征参数优化设计方法 - Google Patents

车身凹坑型非光滑表面特征参数优化设计方法 Download PDF

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杨易
刘政
蔡圣康
黄剑锋
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Abstract

本发明公开了一种车身凹坑型非光滑表面特征参数优化设计方法，该方法以凹坑非光滑表面的减阻效果为优化对象，选取单元体深度S、单元体直径D、横向间距W和纵向间距L为设计变量，采用拉丁超立方抽样方法进行试验设计选取若干组样本点，利用CFD仿真得到各样本点的响应值，根据响应值建立Kriging近似模型，在验证近似模型可信度的基础上，以近似模型进行全局优化。本发明提供的车身凹坑型非光滑表面特征参数优化设计方法，减小选取凹坑型非光滑表面的盲目性，经优化后，与初始仿真相比减阻效果有显著改善，气流流向更为顺畅，优化模型的尾流结构能减小尾涡边界层的范围，减小边界层内能量的交换，从而减小气动阻力。

Description

车身凹坑型非光滑表面特征参数优化设计方法
技术领域
本发明涉及汽车车身非光滑表面设计技术领域，具体涉及一种车身凹坑型非光滑表面特征参数优化设计方法。
背景技术
车身气动阻力直接影响汽车的动力性和燃油经济性，当汽车车速超过60km/h时，用于克服空气阻力的功率和燃油消耗占行驶总功率和燃油消耗的30％-40％。因此，降低车身空气阻力意味着整车燃油经济性与动力性均得到有效改善，是促进车辆节能环保的重要途径。国内外研究非光滑单元体已经有一定基础，但是在凹坑型非光滑单元体特征参数的选取和设计上具有一定的缺陷，很难达到理想的减阻状态。
发明内容
为了使凹坑型非光滑单元体特征参数设计具有比较强的目的性，并克服已经现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种车身凹坑型非光滑表面特征参数优化设计方法，该方法能降低凹坑型非光滑单元体选择的盲目性，提高减阻效率，同时缩短期间所消耗的人力物力。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种车身凹坑型非光滑表面特征参数优化设计方法,该方法在MIRA直背模型尾部引入以凹坑深度、凹坑直径、凹坑横向间距和纵向间距为参数的凹坑型非光滑单元，具体优化设计步骤如下：
a.将凹坑单元体直径D、凹坑单元体深度S、凹坑单元体之间横向间距W和纵向间距L设置为设计变量；
b.采用拉丁超立方抽样方法选取若干组样本点进行CFD模拟计算，得到各组的响应值,分析各设计变量对凹坑型非光滑表面汽车Cd值的影响关系；
c.根据设计变量和优化目标之间的响应关系采用Kriging模型构建近似模型；
d.检验近似模型的拟合精度，在设计空间中选取试验设计方案外的任意若干个试验点进行CFD仿真，并与Kriging模型的计算结果进行对比；
e.采用多岛遗传优化算法进行优化求解；
f.将步骤e中获得最优解时的设计变量值重新建模进行仿真分析计算，最终得出最优解。
本发明具有以下有益效果：本发明提供的车身凹坑型非光滑表面特征参数优化设计方法，减小选取凹坑型非光滑表面的盲目性，以凹坑非光滑表面的减阻效果为优化对象，选取单元体深度S、单元体直径D、横向间距W和纵向间距L为设计变量，采用拉丁超立方抽样方法进行试验设计选取若干组样本点，利用CFD仿真得到各样本点的响应值，根据响应值建立Kriging近似模型，在验证近似模型可信度的基础上，以近似模型进行全局优化，优化后，本发明的减阻率达到了5.82％，较初始值4.73％有进一步改善。
附图说明
图1是本发明气动优化流程图；
图2是凹坑型非光滑汽车气动阻力系数的Pareto图；
图3是光滑模型、初试非光滑模型、优化模型的尾流结构对比图。
具体实施方式
下面通过附图对本发明作进一步阐述。应该说明的是，不得将下述实施例解释为对本发明内容的限制。
如图1所示：一种车身凹坑型非光滑表面特征参数优化设计方法，该方法在传统的CFD优化方法基础上，结合了试验设计，近似模型和优化算法等现代优化设计方法，在MIRA直背模型尾部引入以凹坑深度、凹坑直径、凹坑横向间距和纵向间距为参数的凹坑型非光滑单元，具体优化设计步骤如下：
a.将凹坑单元体直径D、凹坑单元体深度S、凹坑单元体之间横向间距W和纵向间距L设置为设计变量，寻求各因素之间的最优组合，以达到最大的减阻效果；
b.根据设计变量的取值范围和数值类型，采用拉丁超立方抽样方法选取30组样本点并进行CFD模拟计算，得到30组响应值，如表1所示：
表130组样本点与计算结果
各设计变量对凹坑型非光滑表面汽车Cd值得影响关系如图2所示；
c.根据设计变量和优化目标之间的响应关系采用Kriging模型构建近似模型；
d.检验建立的近似模型的拟合精度，在设计空间中选取试验设计方案外的任意3个试验点进行CFD仿真，并与代理模型的计算结果进行对比，对比结果如表2所示：
表2近似模型拟合精度验证
可见近似模型值与CFD仿真结果的相对误差很小，在工程允许误差之内，因此近似模型可很好地描述设计变量与响应值之间的关系，其可信度高，可用来代替CFD进行直接计算；
e.采用多岛遗传优化算法，初试种群个数为50个，岛数为10，迭代代数为100，经过优化，在D＝18mm，S＝6mm，W＝55mm，L＝75mm时，获得最优解，其近似模型值为0.38023。
f.将步骤e中获得最优解时的设计变量值重新建模进行仿真分析计算，Cd值为0.37980。最终得出近似模型的最优解为D＝18mm，S＝6mm，W＝55mm，L＝75mm，近似模型值为0.38023。
本发明方法得出的仿真值Cd＝0.37980，误差极小。对MIRA直背模型尾部加以凹坑型非光滑处理及优化后，其最大减阻率达到了5.82％。在MIRA直背模型尾部端面引入如下尺寸及布置形式凹坑型非光滑单元，凹坑深度S＝5mm，凹坑直径D＝20mm，凹坑横向间距和纵向间距分别为W＝60mm，L＝70mm，通过CFD分析得到其初始仿真减阻率为4.73％，本发明与初始仿真相比减阻效果有显著改善。优化前后的尾流结构如图3所示，对比分析可知，从光滑模型到初始非光滑模型再到优化模型，尾流结构逐步改善。尤其体现在涡A上，优化模型的涡A基本上趋于消失，气流流向更为顺畅。优化模型的尾流结构能减小尾涡边界层的范围，减小边界层内能量的交换，从而减小气动阻力。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种车身凹坑型非光滑表面特征参数优化设计方法,其特征在于：该方法在MIRA直背模型尾部引入以凹坑深度、凹坑直径、凹坑横向间距和纵向间距为参数的凹坑型非光滑单元，具体优化设计步骤如下：
a.将凹坑单元体直径D、凹坑单元体深度S、凹坑单元体之间横向间距W和纵向间距L设置为设计变量；
b.采用拉丁超立方抽样方法选取若干组样本点进行CFD模拟计算，得到各组的响应值,分析各设计变量对凹坑型非光滑表面汽车Cd值的影响关系；
c.根据设计变量和优化目标之间的响应关系采用Kriging模型构建近似模型；
d.检验近似模型的拟合精度，在设计空间中选取试验设计方案外的任意若干个试验点进行CFD仿真，并与Kriging模型的计算结果进行对比；
e.采用多岛遗传优化算法进行优化求解；
f.将步骤e中获得最优解时的设计变量值重新建模进行仿真分析计算，最终得出最优解。
2.根据权利要求1所述的车身凹坑型非光滑表面特征参数优化设计方法，其特征在于：凹坑深度S＝5mm，凹坑直径D＝20mm，凹坑横向间距W＝60mm，纵向间距L＝50mm。
3.根据权利要求1所述的车身凹坑型非光滑表面特征参数优化设计方法，其特征在于：
所述样本点组数设置为30组。
4.根据权利要求1所述的车身凹坑型非光滑表面特征参数优化设计方法，其特征在于：
所述试验点个数设置为3个。
5.根据权利要求1所述的车身凹坑型非光滑表面特征参数优化设计方法，其特征在于：所述多岛遗传优化算法求解过程中，初试种群个数设为50个，岛数设为10，迭代代数设为100。
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