CN113204880A - 一种汽车风阻系数优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于汽车空气动力学技术领域，尤其涉及一种汽车风阻系数优化设计方法，基于流动优化设计，确定前后流动的相互干扰参数和车整体数据，建立相应的汽车模型；根据确定的汽车风阻数据，分别对车头、平地板、上部车身部分、车尾、冷却系统进行改进，并建立对应的模型；基于多方面的设计要素，综合优化汽车的风阻系数，通过对模型的受力分析，确定设计与实际风阻测试之间的误差性；根据相应的误差，分别对车头、平地板、上部车身部分、车尾、冷却系统进行修正。本发明多因素条件的分析，通过分析影响汽车风阻参数的因素，系统化的确定汽车改机方案。细化修改方案中的每一步骤，通过大量实验总结每部分的修改策略，提高风阻参数优化。

Description

一种汽车风阻系数优化设计方法

技术领域

本发明属于汽车空气动力学技术领域，尤其涉及一种汽车风阻系数优化设计方法。

背景技术

目前，风阻系数，用来衡量汽车行驶时遇到风的阻力的一个系数。汽车在行驶过程中驱动力需要克服各种阻力，其中包括滚动阻力、加速阻力(匀速行驶时无加速阻力)、上坡阻力(平地行驶时无坡道阻力)和空气阻力，而风阻系数则和空气阻力息息相关。此外汽车的最高行驶时速也不仅只和发动机的最大功率有关，风阻系数同样能起到决定性的作用。

空气阻力主要有三种，第一，气流撞击车辆正面所产生的阻力；第二，空气摩擦力，当车辆以最快速度行驶时，摩擦阻力小到几乎可以忽略；第三，后部真空区形成的外型阻力。在汽车高速行驶时，外型阻力是最主要的空气阻力来源，外型所造成的阻力来自车后方的真空区，真空区越大，阻力就越大。所以一般三厢车的外型阻力要比两厢车小。

现阶段减少风阻主要方式有两种：第一，改变迎风面积，通过风阻系数的计算公式可以看出，可以改变车头迎风面积，所以不少车的车头都略微下沉，前挡风玻璃尽量向后倾，与车头形成较大的夹角。第二，控制扰流，当车辆高速行驶时，可以通过控制扰流来改善风阻。奔驰CLA通过主动关闭进气格栅使风绕过进气格栅从车辆四周流过，轮包内的导流处理可以克服轮胎附近产生的乱流。底盘的空隙会使车底气流杂乱，用护板完全罩住底盘则可以使气流快速流过，车尾边缘的一些处理也可以极大程度的控制扰流。

汽车风阻系数优化过程中涉及的设计变量众多，设计变量间的藕合对风阻系数的影响并不是单个设计变量影响的简单叠加。传统的CFD仿真方法对设计者的工程经验具有很强的依赖性，通过试错的方式选出的优化方案虽然能够起到一定的效果，但是往往难以直接找到最优解，优化效率较低。正是基于这样的原因，代理模型和优化算法因其对规律的拟合能力和对最优结果的计算能力，被越来越多地应用于汽车风阻系数优化中。依据构建策略的不同，代理模型可分为静态代理模型和自适应代理模型。静态代理模型一次性获取所有样本点来构建代理模型，此后代理模型不再更新，为保证其精度往往选取较多的样本点，优化效率不高。自适应代理模型则先获取少量样木点建立初始代理模型，随后依据优化结果和加点准则增加样本点，更新代理模型，相同精度条件下，选取的样本点数量较少，优化效率较高。由于汽车流场结构复杂，呈现出高度的非线性，因此，给研究汽车风阻系数优化的问题带来很大困难，优化效率低、操作复杂，且耗时长。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)汽车流场结构复杂，呈现出高度的非线性，因此，给研究汽车风阻系数优化的问题带来很大困难，优化效率低、操作复杂，且耗时长。

(2)对于汽车的代理模型的通常采用静态代理模型，CFD方仿真测试的精度较低。

(3)针对风阻系数的优化主要依据车辆外形、改进气格栅等结构，通过叠加测试进行优化方案，改机技术点相对较少，增加后续测试的难度。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种汽车风阻系数优化设计方法。

本发明是这样实现的，一种汽车风阻系数优化设计方法，所述汽车风阻系数优化设计方法，包括：

步骤一，基于流动优化设计，确定前后流动的相互干扰参数和车整体数据，建立相应的汽车模型；

步骤二，根据确定的汽车风阻数据，分别对车头、平地板、上部车身部分、车尾、冷却系统进行改进，并建立对应的模型；

步骤三，基于多方面的设计要素，综合优化汽车的风阻系数，通过对模型的受力分析，确定设计与实际风阻测试之间的误差性；

步骤四，根据相应的误差，分别对车头、平地板、上部车身部分、车尾、冷却系统进行修正；

所述汽车模型建立的具体过程为：

将相关参数数据代入算法，建立相应的算法程序；

输入相关参数数据以自动生成模型建模方法，汽车模型建模过程中的一定规律性；

将建模过程写入算法程序，通过输入曲面和参数自动生成相应的汽车模型；

所述车头模型的建立过程为：

在Grasshopper中，载入点“Point”运算器，然后在Rhino界面中；根据汽车模型的车头形状建立9个控制点，并分别将9个控制点拾取进点“Point"运算器，接着在Grasshopper界面中，导入滑块运算器；

“Number slider”中，对比Rhino界面中车头的各个点位的位置进行调整，选择“Number curve”运算器，分别将前引擎盖的四个边的各个点进行连接；

导入运算器"Unitx"，将“Unitx”运算器与‘Extrude”运算器相连；使得上述曲线根据相应的数据来变化车头的宽度，得到车头的参数化模型建立；

所述步骤三中，模型的受力分析的具体过程为：

设气动阻力系数C_D为：

其中，F_X为气动阻力，ρ空气密度，v_r汽车与空气相对速度，A汽车的正投影面积；

气动力矩系数为：

其中，L为汽车特征长度即轴距；

气动阻力为：

其中，x为受力方向。

进一步，所述步骤二中，车头减少不必要的流动分离，为车身中后部创造来流条件；

由于底部的气流速度相对较快，不同方位的气流之间的相互作用相对较强，进行综合全局设计。

进一步，所述步骤二中，车头的改进包括在保证进气格栅处于高压区的条件下，增加车头的负压区域；车头两侧建立和车身侧部平行的流动；减少并理顺前下车体的流动，避免气流对前轮的侧向冲击。

进一步，所述步骤二中，车尾利用平衡尾流并降低尾流损失，车尾从风阻角度优化扩散器和行李箱盖板以平衡尾流；调整行李箱盖板和尾灯之间的曲率变化，降低尾部四周的绝对速度及不同位置的速度差异。

进一步，所述步骤二中，冷却系统保持最低的冷却流量需求并控制出流位置。

进一步，所述步骤二中，冷却系统包括通过格栅后侧导风通道的开闭调节，使不同工况下换热器内外流的温差均能达到最大，以降低所需冷却气流流量；冷却气流的部分排气进入前轮轮腔；使用主动格栅，并优化不同格栅开闭的效果。

进一步，所述步骤二中，平地板对车轮周围的流动进行优化，使前方来流尽量平行于前轮，而后轮处于前轮形成的尾流之中。

进一步，所述步骤二中，上部车身包括车前脸曲面、前引擎盖曲面、前车灯曲面、车前脸侧部曲面、后备箱曲面；

上部车身包括足够倾斜的前、后风挡角度，并优化A柱和C柱的曲率以减小涡流；降低造型面和侧窗之间的台阶，减小大灯和尾灯附近的间隙和台阶；将高位刹车灯内置，避免对流动的干扰。

进一步，所述步骤二中，上部车身曲面处理过程为：

通过两两曲面相交以及三块及以上曲面相交的车身曲面参数修改方法，依次对整车曲面参数进行修改；

并对各曲面相邻部位进行剪切，得到新的边界线；

接着将新的边界线两两进行混接，通过曲线混合的方式得到新的曲面。

进一步，所述两两曲面相交以及三块及以上曲面相交的车身曲面参数修改方法，具体过程为：

曲面通过Grasshopper的“Extrude”运算器对曲面进行修剪并得到新的边界；

通过“NURBS Curve”运算器进行新的混接曲线的建立。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明多因素条件的分析，通过分析影响汽车风阻参数的因素，系统化的确定汽车改机方案。细化修改方案中的每一步骤，通过大量实验总结每部分的修改策略，提高风阻参数优化。本发明降低优化方案与实际风洞测试的误差。

本发明针对影响汽车风阻的主要部分为车头、平地板、上部车身部分、车尾、冷却系统等，针对影响因素同时结合大量的实验验证提出一种优化方案。设计的整体思想是基于流动优化设计、考虑前后流动的相互干扰。针对车头部分原则是尽量减少不必要的流动分离，同时也要为车身中后部创造更好的来流条件。由于底部的气流速度相对较快，不同方位的气流之间的相互作用相对较强，需要综合全局考虑。上部车身主要是需要尽量降低流动损失。车尾部分原则为需要平衡尾流并降低尾流损失。冷却系统原则是保持最低的冷却流量需求并控制出流位置。基于多方面的考虑设计，全方面综合考虑优化汽车的风阻系数，通过前期设计的大量铺垫，降低设计与实际风阻测试之间的误差性。车头部分的改机主要包括在保证进气格栅处于高压区的条件下，尽量增加车头的负压区域；车头两侧要建立和车身侧部平行的流动；尽量减少并理顺前下车体的流动，避免气流对前轮的侧向冲击。平地板设计主要是对车轮周围的流动进行优化，使前方来流尽量平行于前轮，而后轮处于前轮形成的尾流之中。上部车身设计主要设计包括足够倾斜的前、后风挡角度，并优化A柱和C柱的曲率以减小涡流；降低造型面和侧窗之间的台阶，减小大灯和尾灯附近的间隙和台阶；将高位刹车灯内置，避免对流动的干扰。车尾部分主要设计是从风阻(而非升力)角度优化扩散器和行李箱盖板以平衡尾流；调整行李箱盖板和尾灯之间的曲率变化，尽量降低尾部四周的绝对速度及不同位置的速度差异。冷却系统设计主要包括通过格栅后侧导风通道的开闭调节，使不同工况下换热器内外流的温差均能达到最大，以降低所需冷却气流流量；冷却气流的部分排气进入前轮轮腔；使用主动格栅，并优化不同格栅开闭的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的汽车风阻系数优化设计方法流程图。

图2是本发明实施例提供的汽车模型建立方法流程图。

图3是本发明实施例提供的车头模型的建立方法流程图。

图4是本发明实施例提供的上部车身曲面处理方法流程图。

图5是本发明实施例提供的车身曲面参数修改方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种汽车风阻系数优化设计方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的汽车风阻系数优化设计方法，包括：

S101：基于流动优化设计，确定前后流动的相互干扰参数和车整体数据，建立相应的汽车模型。

S102：根据确定的汽车风阻数据，分别对车头、平地板、上部车身部分、车尾、冷却系统进行改进，并建立对应的模型。

S103：基于多方面的设计要素，综合优化汽车的风阻系数，通过对模型的受力分析，确定设计与实际风阻测试之间的误差性。

S104：根据相应的误差，分别对车头、平地板、上部车身部分、车尾、冷却系统进行修正。

如图2所示，本发明实施例提供的S101中，汽车模型建立的具体过程为：

S201：将相关参数数据代入算法，建立相应的算法程序；

S202：输入相关参数数据以自动生成模型建模方法，汽车模型建模过程中的一定规律性；

S203：将建模过程写入算法程序，通过输入曲面和参数自动生成相应的汽车模型。

如图3所示，本发明实施例提供的S102中，车头模型的建立过程为：

S301：在Grasshopper中，载入点“Point”运算器，然后在Rhino界面中；根据汽车模型的车头形状建立9个控制点，并分别将9个控制点拾取进点“Point" 运算器，接着在Grasshopper界面中，导入滑块运算器；

S302：“Number slider”中，对比Rhino界面中车头的各个点位的位置进行调整，选择“Number curve”运算器，分别将前引擎盖的四个边的各个点进行连接；

S303：导入运算器"Unitx"，将“Unitx”运算器与‘Extrude”运算器相连。使得上述曲线根据相应的数据来变化车头的宽度，得到车头的参数化模型建立。

本发明实施例提供的S102中，车头减少不必要的流动分离，为车身中后部创造来流条件；

由于底部的气流速度相对较快，不同方位的气流之间的相互作用相对较强，进行综合全局设计。

本发明实施例提供的S102中，车头的改进包括在保证进气格栅处于高压区的条件下，增加车头的负压区域；车头两侧建立和车身侧部平行的流动；减少并理顺前下车体的流动，避免气流对前轮的侧向冲击。

本发明实施例提供的S102中，车尾利用平衡尾流并降低尾流损失，车尾从风阻角度优化扩散器和行李箱盖板以平衡尾流；调整行李箱盖板和尾灯之间的曲率变化，降低尾部四周的绝对速度及不同位置的速度差异。

本发明实施例提供的S102中，冷却系统保持最低的冷却流量需求并控制出流位置。

本发明实施例提供的S102中，冷却系统包括通过格栅后侧导风通道的开闭调节，使不同工况下换热器内外流的温差均能达到最大，以降低所需冷却气流流量；冷却气流的部分排气进入前轮轮腔；使用主动格栅，并优化不同格栅开闭的效果。

本发明实施例提供的S102中，平地板对车轮周围的流动进行优化，使前方来流尽量平行于前轮，而后轮处于前轮形成的尾流之中。

本发明实施例提供的S102中，上部车身包括足够倾斜的前、后风挡角度，并优化A柱和C柱的曲率以减小涡流；降低造型面和侧窗之间的台阶，减小大灯和尾灯附近的间隙和台阶；将高位刹车灯内置，避免对流动的干扰。

本发明实施例提供的S102中，上部车身包括车前脸曲面、前引擎盖曲面、前车灯曲面、车前脸侧部曲面、后备箱曲面。

如图4所示，本发明实施例提供的S102中，上部车身曲面处理过程为：

S401：通过两两曲面相交以及三块及以上曲面相交的车身曲面参数修改方法，依次对整车曲面参数进行修改；

S402：并对各曲面相邻部位进行剪切，得到新的边界线；

S403：接着将新的边界线两两进行混接，通过曲线混合的方式得到新的曲面。

如图5所示，本发明实施例提供的两两曲面相交以及三块及以上曲面相交的车身曲面参数修改方法，具体过程为：

S501：曲面通过Grasshopper的“Extrude”运算器对曲面进行修剪并得到新的边界；

S502：通过“NURBS Curve”运算器进行新的混接曲线的建立。

本发明实施例提供的S103中，模型的受力分析的具体过程为：

设气动阻力系数C_D为：

其中，F_X为气动阻力，ρ空气密度，v_r汽车与空气相对速度，A汽车的正投影面积；

气动力矩系数为：

其中，L为汽车特征长度即轴距；

气动阻力为：

其中，x为受力方向。

下面结合仿真实验对本发明的技术方案作进一步的描述。

本风阻系数优化设计方案，采用的原理技术主要包括气动性能优化技术、整车模块化风洞测试等。

随着油耗法规越来越严苛，车辆的空气动力学性能已经不再只是锦上添花，而成为整车性能考核指标的重中之重。而《汽车空气动力学》这本书中则更为直观——把风阻优化收益和车身轻量化进行类比：风阻系数每降低10个counts，对于NEDC循环相当于车身减重20公斤；而对于高速巡航工况，则等效减重上百公斤。从这个角度看，风阻优化能带来巨大的收益。

在风洞实验中，对于前保两侧、侧裙、车尾两侧采用模块化的思路，预先加工多个方案的模型，在实验中可快速替换与测试。

流体力学方面的风洞实验指在风洞中安置飞行器或其他物体模型，研究气体流动及其与模型的相互作用，以了解实际飞行器或其他物体的空气动力学特性的一种空气动力实验方法；而在昆虫化学生态学方面则是在一个有流通空气的矩形空间中，观察活体虫子对气味物质的行为反应的实验。

风洞一般称之为风洞试验。简单地说，就是依据运动的相对性原理，将飞行器的模型或实物固定在地面人工环境中，人为制造气流流过，以此模拟空中各种复杂的飞行状态，获取试验数据。这是现代飞机、导弹、火箭等研制定型和生产的“绿色通道”。

风洞试验中，天平测量得到的模型气动力在转换到气流坐标系上时会因为模型迎角测量的误差引入模型气动力系数误差，而此误差在一些条件下可以占到总的气动力系数误差的25％。因此，准确的迎角测量技术是获得高精度气动特性试验数据的基础。风洞试验数据精确度的先进指标要求模型的阻力系数误差在马赫数Ma位于0.4～0.9的范围内时不超过0.0001，这就要求模型迎角的测量误差不能超过0.01°。

本发明所具备的优点为：第一，多因素条件的分析，通过分析影响汽车风阻参数的因素，系统化的确定汽车改机方案。第二，细化修改方案中的每一步骤，通过大量实验总结每部分的修改策略，提高风阻参数优化。第三，降低优化方案与实际风洞测试的误差。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种汽车风阻系数优化设计方法，其特征在于，所述汽车风阻系数优化设计方法，包括：

步骤一，基于流动优化设计，确定前后流动的相互干扰参数和车整体数据，建立相应的汽车模型；

步骤二，根据确定的汽车风阻数据，分别对车头、平地板、上部车身部分、车尾、冷却系统进行改进，并建立对应的模型；

步骤三，基于多方面的设计要素，综合优化汽车的风阻系数，通过对模型的受力分析，确定设计与实际风阻测试之间的误差性；

步骤四，根据相应的误差，分别对车头、平地板、上部车身部分、车尾、冷却系统进行修正；

所述汽车模型建立的具体过程为：

将相关参数数据代入算法，建立相应的算法程序；

输入相关参数数据以自动生成模型建模方法，汽车模型建模过程中的一定规律性；

将建模过程写入算法程序，通过输入曲面和参数自动生成相应的汽车模型；

所述车头模型的建立过程为：

在Grasshopper中，载入点“Point”运算器，然后在Rhino界面中；根据汽车模型的车头形状建立9个控制点，并分别将9个控制点拾取进点“Point″运算器，接着在Grasshopper界面中，导入滑块运算器；

“Number slider”中，对比Rhino界面中车头的各个点位的位置进行调整，选择“Numbercurve”运算器，分别将前引擎盖的四个边的各个点进行连接；

导入运算器″Unit x″，将“Unit x”运算器与‘Extrude”运算器相连；使得上述曲线根据相应的数据来变化车头的宽度，得到车头的参数化模型建立；

所述步骤三中，模型的受力分析的具体过程为：

设气动阻力系数C_D为：

其中，F_X为气动阻力，ρ空气密度，v_r汽车与空气相对速度，A汽车的正投影面积；

气动力矩系数为：

其中，L为汽车特征长度即轴距；

气动阻力为：

其中，x为受力方向。

2.如权利要求1所述汽车风阻系数优化设计方法，其特征在于，所述步骤二中，车头减少不必要的流动分离，为车身中后部创造来流条件；

由于底部的气流速度相对较快，不同方位的气流之间的相互作用相对较强，进行综合全局设计。

3.如权利要求1所述汽车风阻系数优化设计方法，其特征在于，所述步骤二中，车头的改进包括在保证进气格栅处于高压区的条件下，增加车头的负压区域；车头两侧建立和车身侧部平行的流动；减少并理顺前下车体的流动，避免气流对前轮的侧向冲击。

4.如权利要求1所述汽车风阻系数优化设计方法，其特征在于，所述步骤二中，车尾利用平衡尾流并降低尾流损失，车尾从风阻角度优化扩散器和行李箱盖板以平衡尾流；调整行李箱盖板和尾灯之间的曲率变化，降低尾部四周的绝对速度及不同位置的速度差异。

5.如权利要求1所述汽车风阻系数优化设计方法，其特征在于，所述步骤二中，冷却系统保持最低的冷却流量需求并控制出流位置。

6.如权利要求1所述汽车风阻系数优化设计方法，其特征在于，所述步骤二中，冷却系统包括通过格栅后侧导风通道的开闭调节，使不同工况下换热器内外流的温差均能达到最大，以降低所需冷却气流流量；冷却气流的部分排气进入前轮轮腔；使用主动格栅，并优化不同格栅开闭的效果。

7.如权利要求1所述汽车风阻系数优化设计方法，其特征在于，所述步骤二中，平地板对车轮周围的流动进行优化，使前方来流尽量平行于前轮，而后轮处于前轮形成的尾流之中。

8.如权利要求1所述汽车风阻系数优化设计方法，其特征在于，所述步骤二中，上部车身包括车前脸曲面、前引擎盖曲面、前车灯曲面、车前脸侧部曲面、后备箱曲面；

上部车身包括足够倾斜的前、后风挡角度，并优化A柱和C柱的曲率以减小涡流；降低造型面和侧窗之间的台阶，减小大灯和尾灯附近的间隙和台阶；将高位刹车灯内置，避免对流动的干扰。

9.如权利要求1所述汽车风阻系数优化设计方法，其特征在于，所述步骤二中，上部车身曲面处理过程为：

通过两两曲面相交以及三块及以上曲面相交的车身曲面参数修改方法，依次对整车曲面参数进行修改；

并对各曲面相邻部位进行剪切，得到新的边界线；

接着将新的边界线两两进行混接，通过曲线混合的方式得到新的曲面。

10.如权利要求9所述汽车风阻系数优化设计方法，其特征在于，所述两两曲面相交以及三块及以上曲面相交的车身曲面参数修改方法，具体过程为：

曲面通过Grasshopper的“Extrude”运算器对曲面进行修剪并得到新的边界；

通过“NURBS Curve”运算器进行新的混接曲线的建立。

Images