CN109918757B - 基于正交试验法的复合减阻设计方法及复合减阻方式 - Google Patents

基于正交试验法的复合减阻设计方法及复合减阻方式 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于正交试验法的复合减阻设计方法，先确定厢式货车的复合减阻方式，复合减阻方式包括至少两种减阻设计，分别确定每种减阻设计的至少两个影响因素并单独研究每种减阻设计对原始厢式货车的影响，采用正交试验分析同一减阻设计不同影响因素的减阻效果，得到复合减阻设计的复合影响因素；将复合影响因素相互组合，采用正交试验分析多个复合影响因素组合的减阻效果，获得最优的复合减阻设计方案，由于本发明采取多种减阻设计进行合理组合，所产生的减阻效果将更加明显，基于正交试验法对减阻设计参数的优化可综合厢式货车本身的结构特点及运输特点，使最终的减阻设计方案更加具有针对性，更加合理。

Description

基于正交试验法的复合减阻设计方法及复合减阻方式
技术领域
本发明涉及厢式货车减阻设计优化方法领域，尤其涉及一种基于正交试验法的复合减阻设计方法及通过此方法得到的复合减阻方式。
背景技术
随着电子商务的快速发展，物流行业的技术要求越来越高，厢式货车作为物流运输环节中的重要交通工具，其气动阻力系数的优化引起车辆制造行业的关注，气动阻力系数优化后的厢式货车所受空气阻力会有所降低，进一步可提高车辆行进的稳定性，减少车辆油耗成本，甚至在车辆速度控制上具有优势，为此，许多用于改善厢式货车气动阻力系数的措施被提出。
但目前设计减阻方法时多采用较为单一的减阻措施，所产生的效果也十分有限，即便存在车辆设置多个减阻措施，也仅仅是将现有其他类型车辆减阻措施平移到厢式货车进行简单的叠加，却不一定会考虑到厢式货车本身的结构特点和运输特点以及多种减阻措施叠加后不同减阻措施间的影响，为此，本发明人提出一种针对厢式货车的基于正交试验法的复合减阻设计方式。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于正交试验法的复合减阻设计方法及通过该设计方法所得到的复合减阻方式，复合减阻方式可有效降低厢式货车的气动阻力系数。
为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：
一种基于正交试验法的复合减阻设计方法，具体为：确定厢式货车的复合减阻方式，所述复合减阻方式包括至少两种减阻设计，分别确定每种减阻设计的至少两个影响因素，分别单独研究每种减阻设计对原始厢式货车的影响，采用正交试验分析同一减阻设计不同影响因素的减阻效果，取减阻效果最优的至少两个影响因素组合，构成复合减阻设计的复合影响因素；再将不同减阻设计的复合影响因素相互组合，综合研究减阻设计组合对原始厢式货车的影响，采用正交试验分析多个复合影响因素组合的减阻效果，获得最优的复合减阻设计方案。
较佳的，所述减阻设计为在驾驶室前部设计仿生减阻结构，或在车厢顶部和侧部设计减阻用涡流发生器，或在货车底部设计减阻用涡流发生器。
较佳的，所述复合减阻方式同时包括在驾驶室前部设计仿生减阻结构、车厢顶部和侧部设计减阻用涡流发生器和货车底部设计减阻用涡流发生器三种减阻设计。
较佳的，所述仿生减阻结构为在挡风玻璃和车头竖直面间增加朝向前上方的整流面，所述仿生减阻结构的正交试验分析因素为：所述整流面沿货车行进方向的长度b、所述整流面和所述挡风玻璃间的夹角θ。
较佳的，所述涡流发生器由一字排开的多个减阻单元组成，所述减阻单元包括一底面和一后侧面，所述底面和所述后侧面相互垂直且通过所述底面的后边连接，所述后侧面的上边和所述底面的前边通过一向上凸起的圆弧曲面进行连接，所述减阻单元的底面贴付在货车上，所述后侧面背向货车行进方向。
较佳的，所述一字排开的多个减阻单元组成减阻单元条，所述涡流发生器的正交试验分析因素为：所述减阻单元的高度、所述减阻单元条的位置。
较佳的，采用正交试验分析同一减阻设计不同影响因素的减阻效果时，先对不同影响因素进行组合，将组合后的多个影响因素组与原始厢式货车结合分别分析得到各组合的减阻效果，根据减阻效果确定复合减阻设计的复合影响因素。
较佳的，采用正交试验分析同一减阻设计不同影响因素的减阻效果时，先分别单独分析单一影响因素的减阻效果，将其他影响因素设为固定量，得到每个单一影响因素中减阻效果最佳的单个或多个结果，将结果进行组合确定复合减阻设计的复合影响因素。
一种采用上述基于正交试验法的复合减阻设计方法得到的复合减阻方式，所述复合减阻方式包括至少两种减阻设计，所述减阻设计为在驾驶室前部设计仿生减阻结构，或在车厢顶部和侧部设计减阻用涡流发生器，或在货车底部设计减阻用涡流发生器。
较佳的，所述仿生减阻结构为在挡风玻璃和车头竖直面间增加朝向前上方的整流面，所述涡流发生器由一字排开的多个减阻单元组成，所述减阻单元包括一底面和一后侧面，所述底面和所述后侧面相互垂直且通过所述底面的后边连接，所述后侧面的上边和所述底面的前边通过一向上凸起的圆弧曲面进行连接，所述减阻单元的底面贴付在货车上，所述后侧面背向货车行进方向。
采用上述方案后，由于本发明采取多种减阻设计进行合理组合，所产生的减阻效果将更加明显，基于正交试验法对减阻设计参数的优化可综合厢式货车本身的结构特点及运输特点，使最终的减阻设计方案更加具有针对性，更加合理。
附图说明
图1是原始厢式货车的模型尺寸示意图；
图2是美洲豹面部曲线图；
图3是驾驶室前部仿生减阻结构示意图；
图4是涡流发生器结构示意图；
图5是车厢顶部和侧部涡流发生器分布示意图；
图6是s/S＝0时，涡流发生器分布示意图；
图7是车底涡流发生器安装示意图；
图8是图7细节放大图；
图9是车底涡流发生器分布示意图；
图10是本发明设计方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。
实施例一
本发明所揭示的是一种基于正交试验法的复合减阻设计方法，如图1-10所示，为本发明的较佳实施例。如图10所示，首先，该设计方法须先确定厢式货车的复合减阻方式，再采用正交试验法对上述复合减阻方式的相应参数进行优化选择，进而得到系列试验中气动阻力系数最小的方案，即所要采用的复合减阻方式。由于车辆实际外流场研究较为不易实现，因此在汽车减阻设计时一般通过等比例构建模型来实现车辆外流场的模拟分析。下述研究中，发明人通过UG软件构建货车模型，采用有限元软件ansysy workbench的前处理软件对货车模型计算域进行网格划分，并采用计算流体动力学分析软件Fluent作为仿真平台对上述复合减阻方式的参数进行实验优化。对于分析得到的结果可根据实际车辆的尺寸进行等比例放大，进而为厢式货车提供减阻效果较佳的复合减阻设计。
具体的，确定的复合减阻方式包括至少两种减阻设计，减阻设计可以选择为在驾驶室前部设计仿生减阻结构，或在车厢顶部和侧部设计减阻用涡流发生器，或在货车底部设计减阻用涡流发生器。可以从上述减阻设计中任意选择两个进行组合，也可以三个同时选择，本实施中复合减阻方式同时包括在驾驶室前部设计仿生减阻结构、车厢顶部和侧部设计减阻用涡流发生器和货车底部设计减阻用涡流发生器三种减阻设计。
然后，针对选择的减阻设计，分别确定每种减阻设计的至少两个影响因素，并分别单独研究每种减阻设计对原始厢式货车的影响，原始厢式货车的模型尺寸如图1所示，图中标识尺寸单位采用mm，采用正交试验分析同一减阻设计不同影响因素的减阻效果，取减阻效果最优的至少两个影响因素组合，构成复合减阻设计的复合影响因素；本实施例中由于同时具备三种减阻设计，因此以下分别针对这三种减阻设计进行正交试验分析。
针对驾驶室前部的设计，将考虑仿生学，自然界中美洲豹速度极快，其面部形状的特殊性导致所受迎面阻力相对较小也是美洲豹高速奔跑的原因之一，如图2所示，图中黑色曲线展示了美洲豹的面部轮廓，因此可以设计驾驶室前部类似美洲豹面部结构，如图3所示，所采用仿生减阻结构可以为在挡风玻璃1和车头竖直面2间增加朝向前上方的整流面3，仿生减阻结构的正交试验分析因素为：整流面沿货车行进方向的长度b、整流面和挡风玻璃间的夹角θ。采用正交试验分析仿生减阻结构不同影响因素的减阻效果时采取先组合后分析的策略，具体的，先对不同影响因素进行组合，本实施例选用两因素(夹角θ和长度b)四水平正交表，根据工作经验，暂时确定夹角θ的四个水平分别为120°、125°、130°、135°，长度b的四个水平分别为300mm、400mm、500mm、600mm，对上述两因素四水平进行组合得到16个用于货车模型改进的影响因素组合并进行外流场数值模拟，将组合后的多个影响因素组合与原始厢式货车结合分别分析得到各组合的减阻效果，本实施例通过分析获得16个改进后货车模型的气动阻力系数以及相对于货车原始模型的减阻率，正交表分析结果如表1所示。
表1驾驶室前部正交试验分析结果
Figure BDA0001981597070000051
根据减阻效果确定复合减阻设计的复合影响因素，取分析结果中减阻效果最优的三个影响因素组合构成复合减阻设计的复合影响因素，分别为：1、夹角θ＝135°，长度b＝300mm；2、夹角θ＝125°，长度b＝400mm；3、夹角θ＝120°，长度b＝300mm。该三个影响因素组合改造后的货车模型气动阻力系数最小，其减阻率最高可达8.93％。
针对车厢顶部和侧部的设计，所采用涡流发生器可以由一字排开的多个减阻单元组成，如图4所示，减阻单元4为类似楔体的实心构造，可以采用钢铁或硬质材料制得。减阻单元包括一底面41和一后侧面42，底面41和后侧面42相互垂直且通过底面的后边连接，后侧面42的上边和底面41的前边通过一向上凸起的圆弧曲面43进行连接，安装减阻单元时，减阻单元4的底面41贴付在货车车厢的顶部和侧部，后侧面42背向货车行进方向，贴伏方式可以采用焊接或胶接，或进一步可以在厢式货车车厢生产时与车厢壁一体成型获得。减阻单元分布时一字排开的多个减阻单元组成减阻单元条，减阻单元条和货车行进方向垂直，由于本实施例中车厢顶部和侧部的研究是整体研究，因此设计顶部和侧部的减阻单元条为一体结构，具体的，车厢侧部(两侧)的两条减阻单元条分别对接车厢顶部的减阻单元条的两端，使得侧部的减阻单元条和顶部的减阻单元条排列形成倒“U”型分布，三条减阻单元条所在平面和货车行进方向垂直，每个减阻单元的圆弧曲面则直接迎向货车行进前方。经研究，减阻单元高度的影响水平要高于减阻单元的长度、宽度以及减阻单元间的距离，因此，车厢顶部和侧部的减阻用涡流发生器的正交试验分析因素为：减阻单元的高度h、减阻单元条的位置s/S，其中S为车厢沿货车行进方向的整体长度，s为车厢前端面到减阻单元条所在平面间的距离，如图5所示。采用正交试验分析涡流发生器不同影响因素的减阻效果时采取单一变量先后分析的策略，具体的，分别先单独分析单一影响因素的减阻效果，将其他影响因素设为固定量，得到每个单一影响因素中减阻效果最佳的单个或多个结果。本实施例中，如图4所示，先确定减阻单元的长度a＝100mm，宽度W＝100mm，对高度h进行分析，如图6所示，减阻单元全部放置在贴近车厢前端面的边缘处，即位置s/S＝0，根据工作经验，暂时确定高度h七个水平，分别为：30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm，根据上述七个水平改造的7个货车模型进行外流场数值模拟，获得6个货车模型的气动阻力系数以及相对于货车原始模型的减阻率，正交表分析结果如表2所示。
表2车厢顶部和侧部涡流发生器高度正交试验分析结果
Figure BDA0001981597070000071
取分析结果中减阻效果最优的两个值高度h＝40mm和高度h＝60mm。然后对位置s/S进行分析，高度h取最优的h＝40mm，根据工作经验，暂时确定位置s/S五个水平，分别为：0、1/4、1/2、3/4、1，针对根据上述五个水平改造的5个货车模型进行外流场数值模拟，获得5个货车模型的气动阻力系数以及相对于货车原始模型的减阻率，正交表分析结果如表3所示。
表3车厢顶部和侧部涡流发生器位置正交试验分析结果
Figure BDA0001981597070000072
取分析结果中减阻效果最优的两个值位置s/S＝0和位置s/S＝1/4。再将结果进行组合确定复合减阻设计的复合影响因素，针对上述两个影响因素减阻效果最优值进行组合便可构成4个复合减阻设计的复合影响因素，为降低后期复合影响运算量，此处组合仅选择最佳与最佳、最佳与次佳的组合，即复合影响因素分别为：1、高度h＝40mm，位置s/S＝0；2、高度h＝40mm，位置s/S＝1/4；3、高度h＝60mm，位置s/S＝0。
针对车底的设计，所采用涡流发生器同样为一字排开的多个减阻单元组成，如图7和图8所示，车底的减阻单元形状和上述顶部/侧部的减阻单元相同，其分布时同样一字排开组成减阻单元条，减阻单元条和货车行进方向垂直，减阻单元地面底面朝上的贴伏在车底。车底的涡流发生器的正交试验分析因素为：减阻单元的高度H、减阻单元条的位置l/L，其中L为货车整车的车身长度，l为减阻单元与整车车身前端面间距离，如图9所示。其分析同样采用单一变量先后分析的策略，确定减阻单元的长度a＝100mm，宽度W＝100mm，先对高度H进行分析，减阻单元全部放置在贴近整车前端面的边缘处，即位置l/L＝0，根据工作经验，暂时确定高度h七个水平，分别为：30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm，根据上述七个水平改造的7个货车模型进行外流场数值模拟，获得7个货车模型的气动阻力系数以及相对于货车原始模型的减阻率，正交表分析结果如表4所示。
表4车底涡流发生器高度正交试验分析结果
Figure BDA0001981597070000081
取分析结果中减阻效果最优的高度值H＝40mm。然后对位置l/L进行分析，高度H取最优的H＝40mm，根据工作经验，暂时确定位置l/L五个水平，分别为：0、1/4、1/2、3/4、1，根据上述五个水平改造的5个货车模型进行外流场数值模拟，获得5个货车模型的气动阻力系数以及相对于货车原始模型的减阻率，正交表分析结果如表5所示。
表5车底涡流发生器位置正交试验分析结果
Figure BDA0001981597070000091
取分析结果中减阻效果最优的三个位置l/L＝1、l/L＝0和l/L＝3/4。针对上述两个影响因素减阻效果最优值进行组合便可构成3个复合减阻设计的复合影响因素，即复合影响因素分别为：1、高度H＝40mm，位置l/L＝0；2、高度H＝40mm，位置l/L＝3/4；3、高度H＝40mm，位置l/L＝1。
再将不同减阻设计的复合影响因素相互组合，综合研究减阻设计组合对原始厢式货车的影响，采用正交试验分析多个复合影响因素组合的减阻效果，获得最优的复合减阻设计方案。具体的，将上述三组复合影响因素罗列形成因素水平表，如表6所示。
表6复合影响因素水平表
Figure BDA0001981597070000101
因素水平表中的各个复合影响因素相互组合，组成多组改进方案，以下表7给出了其中9组方案的分析结果，根据分析结果最终确定最优复合减阻设计为：模型3和模型7。显然，模型3和模型7的结果和单独一种减阻设计时的最优结果还是存在差异，因此通过本发明设计方法得到的复合减阻设计才可能真正的使减阻效果最为明显。
表7复合影响因素正交试验分析结果
Figure BDA0001981597070000111
实施例二：
一种采用基于正交试验法的复合减阻设计方法得到的复合减阻方式，其包括至少两种减阻设计，减阻设计为在驾驶室前部设计仿生减阻结构，或在车厢顶部和侧部设计减阻用涡流发生器，或在货车底部设计减阻用涡流发生器。本实施例基于实施例一分析过程得到，因此本实施例中确定的复合减阻方式同时采用上述三种减阻设计。
通过上述分析，针对驾驶室前部的设计，所采用仿生减阻结构可以为在挡风玻璃和车头竖直面间增加朝向前上方的整流面，其中，整流面沿货车行进方向的长度b＝400mm、整流面和挡风玻璃间的夹角θ＝125°。针对车厢顶部和侧部的设计，所采用涡流发生器由一字排开的多个减阻单元组成，减阻单元包括一底面和一后侧面，底面和后侧面相互垂直且通过底面的后边连接，后侧面的上边和底面的前边通过一向上凸起的圆弧曲面进行连接，减阻单元的底面贴付在货车车厢的顶部和侧部上，后侧面背向货车行进方向，其中，减阻单元高度h＝60mm，一字排开的多个减阻单元组成减阻单元条，减阻单元条设置在车厢前端的上表面和两侧面并贴近车厢前端面的边缘。针对车底的设计，所采用涡流发生器同样由一字排开的多个减阻单元组成，减阻单元，减阻单元的形状与车厢顶部和侧部所采用减阻单元相同，减阻单元的底面朝上的贴付在货车底部，例如可以贴付在底盘上，减阻单元高度H＝40mm，一字排开的多个减阻单元组成减阻单元条，减阻单元条设置在整车底部后端。
另一种减阻效果较佳的复合减阻设计的具体参数为：针对驾驶室前部的设计，整流面沿货车行进方向的长度b＝300mm、整流面和挡风玻璃间的夹角θ＝120°，针对车厢顶部和侧部的设计，所采用涡流发生器中减阻单元高度h＝40mm，减阻单元条设置在车厢前端的上表面和两侧面并贴近车厢前端面的边缘。针对车底的设计，所采用涡流发生器中减阻单元高度H＝40mm，减阻单元条设置在整车底部后端。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故但凡依本发明的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。

Claims (5)

1.一种基于正交试验法的复合减阻设计方法，其特征在于：确定厢式货车的复合减阻方式，所述复合减阻方式包括至少两种减阻设计，分别确定每种减阻设计的至少两个影响因素，分别单独研究每种减阻设计对原始厢式货车的影响，采用正交试验分析同一减阻设计不同影响因素的减阻效果，取减阻效果最优的至少两个影响因素组合，构成复合减阻设计的复合影响因素；再将不同减阻设计的复合影响因素相互组合，综合研究减阻设计组合对原始厢式货车的影响，采用正交试验分析多个复合影响因素组合的减阻效果，获得最优的复合减阻设计方案；
所述减阻设计为在驾驶室前部设计仿生减阻结构，或在车厢顶部和侧部设计减阻用涡流发生器，或在货车底部设计减阻用涡流发生器；
所述复合减阻方式同时包括在驾驶室前部设计仿生减阻结构、车厢顶部和侧部设计减阻用涡流发生器和货车底部设计减阻用涡流发生器三种减阻设计；
所述仿生减阻结构为在挡风玻璃和车头竖直面间增加朝向前上方的整流面，所述仿生减阻结构的正交试验分析因素为：所述整流面沿货车行进方向的长度b、所述整流面和所述挡风玻璃间的夹角
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
所述涡流发生器由一字排开的多个减阻单元组成，所述减阻单元包括一底面和一后侧面，所述底面和所述后侧面相互垂直且通过所述底面的后边连接，所述后侧面的上边和所述底面的前边通过一向上凸起的圆弧曲面进行连接，所述减阻单元的底面贴付在货车上，所述后侧面背向货车行进方向；
一字排开的多个所述减阻单元组成减阻单元条，所述涡流发生器的正交试验分析因素为：所述减阻单元的高度、所述减阻单元条的位置。
2.根据权利要求1所述的基于正交试验法的复合减阻设计方法，其特征在于：采用正交试验分析同一减阻设计不同影响因素的减阻效果时，先对不同影响因素进行组合，将组合后的多个影响因素组与原始厢式货车结合分别分析得到各组合的减阻效果，根据减阻效果确定复合减阻设计的复合影响因素。
3.根据权利要求1所述的基于正交试验法的复合减阻设计方法，其特征在于：采用正交试验分析同一减阻设计不同影响因素的减阻效果时，先分别单独分析单一影响因素的减阻效果，将其他影响因素设为固定量，得到每个单一影响因素中减阻效果最佳的单个或多个结果，将结果进行组合确定复合减阻设计的复合影响因素。
4.一种采用权利要求1所述基于正交试验法的复合减阻设计方法得到的复合减阻方式，其特征在于：所述复合减阻方式包括至少两种减阻设计，所述减阻设计为在驾驶室前部设计仿生减阻结构，或在车厢顶部和侧部设计减阻用涡流发生器，或在货车底部设计减阻用涡流发生器。
5.根据权利要求4所述的复合减阻方式，其特征在于：所述仿生减阻结构为在挡风玻璃和车头竖直面间增加朝向前上方的整流面，所述涡流发生器由一字排开的多个减阻单元组成，所述减阻单元包括一底面和一后侧面，所述底面和所述后侧面相互垂直且通过所述底面的后边连接，所述后侧面的上边和所述底面的前边通过一向上凸起的圆弧曲面进行连接，所述减阻单元的底面贴付在货车上，所述后侧面背向货车行进方向。
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