CN109733491A - 一种基于数学模型布置的仿生非光滑减阻降噪贴膜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数学模型布置的仿生非光滑减阻降噪贴膜，包括：基层；多个非光滑单元体，其设置在所述基层上，所述非光滑单元体的深度小于边界层的厚度；相邻非光滑单元体的排布间距满足：an＝d；或者an＝a1+(n‑1)d1；或者an＝A1×qn‑1‑1；或者非光滑单元体的排布曲线满足：或者a2≤x≤2a2；或者y2＝2×p×x，x≥0。在车身设计中引入仿生非光滑单元体，并将其按照数学模型布置，实现减少整车的阻力系数，降低噪声响度，可同时满足降低空气阻力和噪声的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于数学模型布置的仿生非光滑减阻降噪贴膜，属于空气动力学减阻领域。
背景技术
汽车的普及带来了能源紧缺和环境污染问题，与此同时人们对汽车燃油经济性、乘坐舒适性等要求也不断提升。而良好的汽车空气动力特性设计，可以提高整车的动力性、安全性和经济性，同时改善NVH特性，提高乘坐舒适性。
汽车在行驶过程中，车身会与空气相互作用而产生气动阻力，因此车身的气动阻力系数与整车的气动阻力密切相关。降低汽车空气阻力的传统方法主要为优化车身整体流线型造型、对车身局部进行细化优化、在车身上加装某些装置如导流装置、喷射装置等。上述方法已经趋于成熟，所以近年来提出基于仿生学理论进行减阻降噪，即通过对车身表面进行仿生非光滑处理达到减阻降噪的功效。
经过自然界的优胜劣汰，生物体具有人工难以企及的独特功能，提取生物体非光滑表面特征并对其进行优化设计，从而更好的实现减阻降噪。游隼是世界上是俯冲最快的鸟类，俯冲时游隼身体的整个外部流线型近似于降落的水滴形，使其下降时的空气阻力大大减小，；蜣螂在土壤中能运动自如且体表没有附着物，得益于其体表的凹坑非光滑表面。根据仿生学减阻降噪的特征提取排布方式，基于生物体外形特征，如鱼鳞形、翼型、雨滴形；基于生物的排布方式，如土壤动物蜣螂体表各部位凹坑排布方式，即等距排布、等差排布、等比排布等。
在车身设计中引入仿生非光滑单元体，基于数学模型布置的非光滑模型可实现整车的减阻降噪效果，同时解决能源危机、提高整车的乘坐舒适性。
发明内容
本发明设计开发了一种基于数学模型布置的仿生非光滑减阻降噪贴膜，在车身设计中引入仿生非光滑单元体，并将其按照数学模型布置，实现减少整车的阻力系数，降低噪声响度，可同时满足降低空气阻力和噪声的效果。
本发明提供的技术方案为：
一种基于数学模型布置的仿生非光滑减阻降噪贴膜，包括：
基层；
多个非光滑单元体，其设置在所述基层上，所述非光滑单元体的深度小于边界层的厚度；
相邻非光滑单元体的排布间距满足：
an＝d；或者
an＝a1+(n-1)d1；或者
an＝A1×qn-1-1；
其中，d为排布间距，a1为第一个非光滑单元体与第二个非光滑单元体之间的间距，d1为相邻非光滑单元体的排布间距，A1为第一个非光滑单元体与第二个非光滑单元体之间的间距，q为公比；或者
非光滑单元体的排布曲线满足：
或者
或者
y2＝2×p×x，x≥0；
其中，a为曲线方程中长轴的长度，b为短轴的长度，a2为曲线方程中实半轴的长度，b2为曲线方程中虚半轴的长度，p为抛物线焦点到准线的距离。
优选的是，所述非光滑单元体包括凹坑、凸包、槽型、棱纹中的至少一种。
优选的是，当所述相邻非光滑单元体等间距排布时，并且d＝0～100mm。
优选的是，当所述相邻非光滑单元体的排布间距满足等差数列时，a1＝10～500mm，d1＝-100～0mm。
优选的是，当相邻非光滑单元体的排布间距满足等差数列时，a1＝0～100mm，d1＝0～100mm。
优选的是，当所述相邻非光滑单元体的排布间距满足等比数列时，A1＝1～100mm，q＝0.1～100。
优选的是，当相邻非光滑单元体的排布间距满足等比数列时，A1＝10～500mm，q＝-100～0.1mm。
优选的是，当所述非光滑单元体的排布曲线满足椭圆曲线方程时，a＝2～500mm，b＝1～250mm。
优选的是，当所述非光滑单元体的排布曲线满足双曲线方程时，a2>0，b2>0。
优选的是，当所述非光滑单元体的排布曲线满足抛物线方程时，p＝0～100mm。
本发明所述的有益效果：
1、本发明提供的非光滑贴膜，可减少整车的阻力系数以及降低平均声压级，同时满足降低空气阻力和噪声，提高燃油经济性、乘坐舒适性等整车性能。
2、非光滑车身表面在加工生产中过于复杂，需要修改或者引进新的模具，而且容易造成加工缺陷。非光滑减阻降噪贴膜单独加工成型，并可粘贴于汽车、客车或高铁等表面任意位置，加工工艺简单且有效。
3、仿生了土壤动物蜣螂体表各部位凹坑排布方式、水滴形、鱼鳞形、翼型，基于仿生拟合数学模型布置非光滑单元体。从贴膜形状及排布方式上依据仿生减阻特征，提高了减阻降噪的效果。
4、综合多种类型非光滑单元体、多种尺寸非光滑单元体及多种布置方式，可多维度一体化布置，丰富了布置的多样性，同时提高了减阻降噪的效果。
附图说明
图1是按照等比间距排布的凹槽形单元体贴膜的结构示意图
图2是按照水滴形轮廓排布的凹坑形单元体贴膜的结构示意图。
图3是按照等间距排布的凹坑形单元体贴膜的结构示意图。
图4是按照等差间距(d1>0)排布的凸起单元体贴膜的结构示意图。
图5是按照等差间距(d1<0)排布的凸起单元体贴膜的结构示意图。
图6是按照等比间距(q>0)排布的凹槽单元体贴膜的结构示意图。
图7是按照等比间距(q<0)排布的凹槽单元体贴膜的结构示意图。
图8是按照水滴形轮廓排布的凹坑单元体贴膜的结构示意图
图9是按照鳞片形轮廓排布的凹坑单元体贴膜的结构示意图。
图10是按照翼形轮廓排布的凹坑单元体贴膜的机构示意图。
图11是多种形状的非光滑单元体耦合布置图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1-2所示，本发明提供一种基于数学模型布置的仿生非光滑减阻降噪贴膜，包括基层和设置在基层上多个非光滑单元体，其中，非光滑单元体的形状包括：凹坑、凸包、槽型、横纹，设置在基层上的非光滑单元体为凹坑、凸包、槽型、横纹中的至少一种。其中，由于非光滑单元体的减阻效果只在边界层内其作用，因此非光滑单元体的高度小于边界层的高度。
如图11所示，在另一实施例中，非光滑单元体的形状包括：多个不同尺寸的凹坑和凸包，多个非光滑单元体呈多种形状组合交替布置，形成多种非光滑单元体的耦合排布。
如图3所示，非光滑单元体的形状为凹坑，多个凹坑等间距排布在基层上，使相邻凹坑的排布间距满足数列：an＝d，其中an为第n项的通项公式，即第n个凹坑与第n+1个凹坑之间的距离；d为相邻凹坑之间的间距，d＝0～100mm。
如图4所示，非光滑单元体的形状为凸起，多个凸起按照等差数列排布在基层上，使相邻凸起的排布间距满足数列：an＝a1+(n-1)d1，其中，an为第n项的通项公式，即第n个凸起与第n+1个凸起之间的距离；d1为相邻凸起之间的间距，a1为第一个凸起与第二个凸起之间的间距，a1＝0～100mm，d1＝0～100mm。
如图5所示，在另一实施例中，a1＝0～100mm，d1＝0～100mm。该等差数学模型布置的仿生贴膜可粘贴于汽车A柱上。
如图6所示，非光滑单元体的形状为凹槽，多个凹槽按照等比数列排布在基层上，使相邻凹槽的排布间距满足数列：an＝A1×qn-1-1，其中，an为第n项的通项公式，即第n个凹槽与第n+1个凹槽之间的距离，A1为第一个凹槽与第二个凹槽之间的间距，q为公比，其中，A1＝1～100mm，q＝0.1～100。
如图7所示，在另一实施例中，A1＝1～100mm，q＝0.1～100，该仿生贴膜可粘贴与汽车顶部。
如图8所示，多个非光滑单元体按照水滴的轮廓形式排布在基层上，并且该轮廓曲线满足椭圆的曲线方程：a＝2～500mm，b＝1～250mm，其中，a为水滴的曲线方程中长轴的长度，b为水滴的曲线方程中短轴的长度，该仿生水滴形贴膜可粘贴于车身侧面、车门上。
如图9所示，多个非光滑单元体按照鳞片的轮廓形式排布在基层上，并且该轮廓曲线满足双曲线的曲线方程：a2≤x≤2a2，a2>0，b2>0，其中，a2为鳞片的曲线方程中实半轴的长度，b2为鳞片的曲线方程中虚半轴的长度。该仿生鳞片形贴膜可粘贴于车身侧面，B柱及C柱上。
如图10所示，多个非光滑单元体按照翼形轮廓的形式排布在基层上，并且该轮廓曲线上半部的曲线方程满足抛物线的曲线方程：y2＝2×p×x，x≥0，0≤p≤1，p为抛物线焦点到准线的距离。该仿生翼形贴膜可粘贴于车身侧面，前、后翼子板上。
对比例1
设置出口相对压力为0，以保证计算域压力与外部大气压力相同；温度为室温20℃条件下，车辆相对速度为30m/s，计算域压力入口湍流强度为0.5％，水利直径长度为43250.1mm，计算域压力出口湍流强度为5％，进行仿真分析，根据仿真结果计算得出，该光滑模型的阻力系数为0.1636，噪声响度测量的位置为汽车的侧窗，侧窗监测的响度为67sone。
对比例2
设置出口相对压力为0，以保证计算域压力与外部大气压力相同；温度为室温20℃条件下，车辆相对速度为30m/s，计算域压力入口湍流强度为0.5％，水利直径长度为43250.1mm，计算域压力出口湍流强度为5％，进行仿真分析，根据仿真结果计算得出，该光滑模型的阻力系数为0.1636，噪声响度测量的位置为汽车的顶盖，顶盖处响度为83sone。
实施例1
如图3所示，将直径为10mm，深度为2mm的凹坑单元体，等间距布置在基层贴膜上，其中，间距为10mm，并将其粘贴于汽车的后视镜表面上，设置出口相对压力为0，以保证计算域压力与外部大气压力相同，车辆相对速度为30m/s，温度为室温20℃条件下，进行仿真分析，根据仿真结果计算得出，此非光滑贴膜模型的阻力系数为0.1547，与对比例1相比，阻力系数降低5.4％；侧窗外监测的响度为58sone，与对比例1相比，响度降低12.9％。
实施例2
如图4所示，将直径为15mm，高度为3mm的凸起单元体，按等差间距布置在基层贴膜上，相邻凸起的间距排布满足数列：an＝a1+(n-1)d1，其中，an为n个凸起与第n+1个凸起之间的距离；d1为相邻凸起之间的间距，a1为第一个凸起与第二个凸起之间的间距,其中a1＝1mm，d1＝2mm，an＝2n-1，将该贴膜贴在汽车A柱表面上，设置出口相对压力为0，以保证计算域压力与外部大气压力相同，车辆相对速度为30m/s，温度为室温20℃条件下，进行仿真分析。根据仿真结果计算得出，此非光滑贴膜模型的阻力系数为0.1579，与对比例相比，阻力系数降低3.5％；侧窗外监测的响度为57sone，与对比例1相比，响度降低14.9％。
实施例3
如图6所示，将直径为3mm，深度为1.5mm的凹槽单元体，按等比数列间距布置在基层贴膜上，相邻凹坑的间距排布满足数列：an＝A1×qn-1-1，其中，an为第n项的通项公式，即第n个凹槽与第n+1个凹槽之间的距离，A1为第一个凹槽与第二个凹槽之间的间距，q为公比，其中，A1＝1mm，q＝2，an＝2n-1，将该贴膜贴在汽车顶盖上，设置出口相对压力为0，以保证计算域压力与外部大气压力相同，车辆相对速度为30m/s，温度为室温20℃条件下，进行仿真分析，根据仿真结果计算得出，此非光滑贴膜的阻力系数为0.1364，与对比例2相比可将阻力系数降低16.6％；顶盖处响度为43sone，与对比例2相比，响度降低48.19％。
实施例4
如图8所示，将直径为8mm，深度为2mm的凹坑单元体，按水滴形布置在基层贴膜上，水滴形的轮廓曲线满足即其中，a＝30mm，b＝15mm，使水滴形的轮廓曲线为：-30≤x≤-15，a为水滴的曲线方程中长轴的长度，b为水滴的曲线方程中短轴的长度，将此贴膜贴在车门表面，设置边界条件：出口相对压力为0，以保证计算域压力与外部大气压力相同；车辆相对速度为30m/s，温度为室温20℃条件下，进行仿真分析。根据仿真结果计算得出，此非光滑贴膜模型的阻力系数约为0.1314，与对比例1相比阻力系数降低19.6％；侧窗外监测的响度约为55sone，与对比例1相比，响度降低17.9％。
实施例5
如图9所示，将直径为3mm，深度为1.5mm的凹坑单元体，按照鳞片形布置在基层贴膜上，鳞片形的轮廓曲线满足：a2≤x≤2a2，a2>0，b2>0，其中，a2＝10mm，b2＝8mm，使鳞片形的轮廓曲线为：10≤x≤20，a2为鳞片的曲线方程中实半轴的长度，b2为鳞片的曲线方程中虚半轴的长度。将此贴膜贴在汽车B柱表面上，设置边界条件：设置出口相对压力为0，以保证计算域压力与外部大气压力相同，车辆相对速度为30m/s，温度为室温20℃条件下，进行仿真分析，根据仿真结果计算得出，此非光滑贴膜模型的阻力系数为0.1597，与对比例1相比阻力系数降低2.4％，侧窗外监测的响度约为61sone，与对比例1相比，响度降低8.9％。
实施例6
将直径为3mm，深度为1.5mm的凹坑单元体，按照翼形布置在基层贴膜上，翼形的轮廓曲线满足：y2＝2×p×x，x≥0，p＝0～100mm，其中，p＝50mm，p为抛物线焦点到准线的距离，将此贴膜贴在汽车前翼子板上，设置边界条件：设置出口相对压力为0，以保证计算域压力与外部大气压力相同，车辆相对速度为30m/s，温度为室温20℃条件下，进行仿真分析，根据仿真结果计算得出，此非光滑贴膜模型的阻力系数约为0.1428，与对比例1相比，阻力系数降低12.7％；侧窗外的响度约为64sone，与对比例1相比，响度降低4.5％。
实施例7
如图11所示，将直径为8mm，深度为1.5mm的凹坑单元体和直径为8mm，高度为1.5mm的凸包单元体，等间距交替布置在基层贴膜上，其中，间距为15mm，将此贴膜贴在后视镜的A柱表面上，设置边界条件：设置出口相对压力为0，以保证计算域压力与外部大气压力相同，车辆相对速度为30m/s，温度为室温20℃条件下，进行仿真分析；根据仿真结果计算得出，此非光滑贴膜模型的阻力系数为0.1444，与对比例1相比，阻力系数降低5.9％；侧窗外监测的响度为54sone，与对比例1相比响度降低19.4％。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种基于数学模型布置的仿生非光滑减阻降噪贴膜，其特征在于，包括：
基层；
多个非光滑单元体，其设置在所述基层上，所述非光滑单元体的深度小于边界层的厚度；
相邻非光滑单元体的排布间距满足：
an＝d；或者
an＝a1+(n-1)d1；或者
an＝A1×qn-1-1；
其中，d为排布间距，a1为第一个非光滑单元体与第二个非光滑单元体之间的间距，d1为相邻非光滑单元体的排布间距，A1为第一个非光滑单元体与第二个非光滑单元体之间的间距，q为公比；或者
非光滑单元体的排布曲线满足：
或者
或者
y2＝2×p×x，x≥0；
其中，a为曲线方程中长轴的长度，b为短轴的长度，a2为曲线方程中实半轴的长度，b2为曲线方程中虚半轴的长度，p为抛物线焦点到准线的距离。
2.根据权利要求1所述的基于数学模型布置的仿生非光滑减阻降噪贴膜，其特征在于，所述非光滑单元体包括凹坑、凸包、槽型、棱纹中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的基于数学模型布置的仿生非光滑减阻降噪贴膜，其特征在于，当所述相邻非光滑单元体等间距排布时，并且d＝0～100mm。
4.根据权利要求3所述的基于数学模型布置的仿生非光滑减阻降噪贴膜，其特征在于，当所述相邻非光滑单元体的排布间距满足等差数列时，a1＝10～500mm，d1＝-100～0mm。
5.根据权利要求4所述的基于数学模型布置的仿生非光滑减阻降噪贴膜，其特征在于，当相邻非光滑单元体的排布间距满足等差数列时，a1＝0～100mm，d1＝0～100mm。
6.根据权利要求1或5所述的基于数学模型布置的仿生非光滑减阻降噪贴膜，其特征在于，当所述相邻非光滑单元体的排布间距满足等比数列时，A1＝1～100mm，q＝0.1～100。
7.根据权利要求6所述的基于数学模型布置的仿生非光滑减阻降噪贴膜，其特征在于，当相邻非光滑单元体的排布间距满足等比数列时，A1＝10～500mm，q＝-100～0.1mm。
8.根据权利要求7所述的基于数学模型布置的仿生非光滑减阻降噪贴膜，其特征在于，当所述非光滑单元体的排布曲线满足椭圆曲线方程时，a＝2～500mm，b＝1～250mm。
9.根据权利要求8所述的基于数学模型布置的仿生非光滑减阻降噪贴膜，其特征在于，当所述非光滑单元体的排布曲线满足双曲线方程时，a2>0，b2>0。
10.根据权利要求9所述的基于数学模型布置的仿生非光滑减阻降噪贴膜，其特征在于，当所述非光滑单元体的排布曲线满足抛物线方程时，p＝0～100mm。
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