CN113779702B - 一种双船形低风阻太阳能赛车车身的优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双船形低风阻太阳能赛车车身的优化设计方法，根据车身参数建立车身三维实体模型，对实体模型进行分析前处理，定义设计变量、约束条件、目标函数、进行优化分析并得出最优解。本发明迎风面积有效减小，在正常速度行驶过程中风阻系数比现有车辆更低，能够有效降低太阳能赛车行驶阻力、减少降低太阳能车能量消耗，从而提高太阳能赛车的续航能力。
Description
技术领域
本发明主要涉及太阳能赛车技术领域，尤其涉及一种双船形低风阻太阳能赛车车身的优化设计方法。
背景技术
对于太阳能赛车而言，又快又安全的跑到终点是最终目的，想要提升太阳能赛车速度，除了自身动力系统因素外，最主要的就是减少风阻系数，而想要提升太阳能赛车单次行驶距离，减少太阳能赛车的能耗才是关键。
太阳能赛车在高速行驶时，空气气流与太阳能赛车车身所形成的风阻不可忽视，产生阻力便会造成额外的能量损耗，由于当前技术条件制约、太阳光光能单位功率有限，故完全采用太阳能作动力的汽车，只存在于太阳能赛车领域；
而在电池技术难以突破的情况下，改善太阳能赛车车身的空气动力学特性，降低车身风阻，就成为改善太阳能赛车续航能力的必由之路；因此需要一种可行的低风阻的太阳能赛车车身的优化设计方法，降低太阳能赛车的行驶阻力，提高太阳能赛车的续航能力。
发明内容
为了解决传统的车身在结构上难以满足太阳能赛车低风阻需求的技术问题，本发明提供一种双船形低风阻太阳能赛车车身的优化设计方法。
本发明提供的技术方案为：
本发明提供一种双船形低风阻太阳能赛车车身的优化设计方法，具体包括以下步骤：
S01：读入优化设计前的车身形状参考；
S02：捕捉优化设计前的所述车身形状参考数据中的特征线，所述特征线是指围成所述车身构造型面的曲线；
S03：在特征线的基础上将优化设计前的所述车身形状参考数据变换为双船形所述三维实体模型参数，包括所述车身的长度L，所述车身的宽度W，所述车身的高度H以及所述车身的关键点位坐标参数；
S04：对所述三维实体模型进行分析前处理，包括定义单元类型、定义材料属性、定义单元尺寸、定义单元形状；
S05：对所述三维实体模型定义设计变量：定义所述车身前部高度的6个所述设计变量(V1,V2,V3,H4,H5,H6)、中部高度的2个所述设计变量(V8,V10)以及尾部高度的8个所述设计变量(V12,V13,V14,V15,V24,V25,L18,L23)；
S06：对所述三维实体模型添加约束条件：以L/1000mm为其计算步长，所述设计变量的变换区间为±L/100mm，使用Fluent软件进行气流模拟仿真，以正常太阳能赛车行驶速度为准则设置相应的风速；
S07：利用计算机对三维实体模型进行外流场仿真分析计算，要合理设置迭代步数、设置监控数据、观察残差曲线，使得计算能够最终达到收敛，得出准确合理的计算结果；并通过Fluent的后处理模块得出所述车身表面及各个截面的速度、压力分布，并可得到不同方向的风阻系数等参数；
S08：根据经验及最终目标需求判断是否满足所述三维实体模型的造型设计要求，若不满足最终要求，则返回原三维实体模型，继续进行修改；
S09：优化分析得出尺寸形状最优解：以各个所述设计变量的模型初始值为优化设计的初始值，进行所述车身的有限元分析，获得所述风阻系数的初始值；以计算步长为单位对所述设计变量进行迭代优化，得到所述风阻系数最小时所述设计变量的集合。
优选的，优化后的所述三维实体模型沿其长度方向水平切开，剖面形状为两个互相连接的且留有间隔的船形结构。
优选的，优化后的所述三维实体模型沿其长度方向纵向切开，两个所述船形结构的上方设有鱼形结构；所述船形结构和所述鱼形结构直接通过相贯线进行连接，连接过渡部分采用圆角设计。
优选的，所述三维实体模型优化完成之后，使用碳纤维进行所述车身的加工制造；在加工所述车身之前，要根据其造型参数先将模具加工完成。所述车身可以分为上下两部分进行开模；模具完成之后，使用碳纤布、利用热压罐工艺，经过固化、脱模以及表面处理最终形成由正反两层碳纤维布铺制而成的碳纤维车身。
本发明的有益效果：
本发明提供的双船形低风阻太阳能赛车车身的优化设计方法，根据车身参数建立车身三维实体模型，对实体模型进行分析前处理，定义设计变量、约束条件、目标函数、进行优化分析得出最优解，最终实体模型在车速30m/s情况下进行仿真，可以达到车身风阻系数Cd＝0.129的水平，远远低于传统太阳能赛车车身的风阻系数，迎风面积有效减小，阻力更小，对于降低太阳能车能量消耗、提高其续航能力有明显的作用。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为本发明车身顶部鱼形结构的设计变量示意图；
图2为本发明优化后三维实体模型的水平剖面示意图；
图3为本发明优化后三维实体模型示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。需要注意的是，本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。
应当理解的是，当在本说明书中如使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等，其所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。
如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行说明，显然所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对附图中提供的本发明实施例中的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
为了解决传统的车身在结构上难以满足太阳能赛车低风阻需求的技术问题，本发明提供一种双船形低风阻太阳能赛车车身的优化设计方法，具体包括以下步骤：
S01：读入优化设计前的车身形状参考；
S02：捕捉优化设计前的车身形状参考数据中的特征线，特征线是指特征线是指围成车身构造型面的曲线；
S03：在特征线的基础上将优化设计前的车身形状参考数据变换为双船形三维实体模型参数，包括车身长度L＝5000mm，车身宽度W＝1650mm，车身高度H＝1200mm以及车身关键点位坐标参数，通过这些尺寸来限制太阳能赛车的大小，以保证安全性、实用性和道路合法性；
S04：对三维实体模型进行分析前处理，运用ICEM CFD进行网格处理定义单元类型、定义材料属性、定义单元尺寸、定义单元形状，这是一种可自动生成面网格及边界层网格的体网格划分方法，优点是鲁棒性强，且体网格能与曲面进行很好的匹配，不容易出现负网格的现象；在进行ICEM CFD仿真分析时，需设定计算域，在建立计算域的时候，不仅要基于经验考虑，同时也需要考虑阻塞比的影响，本文所取的计算域具体尺寸为：长度为1倍车长，其中车前3倍，车后7倍；宽度为4倍车宽，车体置于正中心；高度为5倍车高；
为保证计算准确性，在车体周围进行体网格逐步加密，计算域共划分两个加密区，船形结构1加密区和鱼形结构2加密区，如图3所示：
船形结构1加密区：车前1倍车长，车后2.5倍车长，宽度3倍车宽，高度2.5倍车高，基本尺寸为300mm；
鱼形结构2加密区：车前0.25倍车长，车后0.75倍车长，宽度1.5倍车宽，高度2倍车高，基本尺寸为150mm；
设置加密区以后，根据加密区对面网格及边界层网格进行拆分，以匹配加密区的网格尺寸。
S05：对三维实体模型定义设计变量：定义车身前部高度的6个设计变量(V1,V2,V3,H4,H5,H6)、中部高度的2个设计变量(V8,V10)以及尾部高度的8个设计变量(V12,V13,V14,V15,V24,V25,L18,L23)，如图1所示。
S06：对三维实体模型添加约束条件：以L/1000mm为其计算步长，各个设计变量的变换区间为±L/100mm；在本实施例中，以5mm为其计算步长，各个设计变量的变换区间为±50mm；流体选择为空气，空气在流动过程中密度没有明显变化，故将其作为不可压缩流体来处理，使用Fluent进行流体模拟仿真，以正常太阳能赛车行驶速度为准则设置相应的风速；压强为标准大气压，温度为25℃，空气密度ρ＝1.184kg/m3，动力粘度μ＝1.855×105N·s/m2，鉴于太阳能赛车行驶速度远远小于0.3Ma；因为太阳能赛车速度一般低于30m/s，故设置太阳能赛车速度大小为30m/s。
S07：利用计算机对三维实体模型进行外流场仿真分析计算，要合理设置迭代步数、设置监控数据、观察残差曲线，使得计算能够最终达到收敛，得出准确合理的计算结果；并通过Fluent的后处理模块得出车身表面及各个截面的速度、压力分布，并可得到不同方向的风阻系数等参数；
S08：根据经验及最终目标需求判断是否满足三维实体模型造型设计要求；若不满足最终要求，则返回原三维实体模型，继续进行修改；
S09：优化分析得出尺寸形状最优解：以各个设计变量的模型初始值为优化设计的初始值，进行太阳能赛车车身的有限元分析，获得风阻系数的初始值；以计算步长为单位对设计变量进行迭代优化，得到风阻系数最小时设计变量的集合。
车身风阻系数Cd的计算公式为：
其中F为太阳能赛车所受到的气动阻力，ρ为空气的密度，v为太阳能赛车与空气的相对速度，A则为太阳能赛车的迎风面积(也就是太阳能赛车在来流方向上的正投影面积)。
通过仿真结果可以得出F＝106.59N,已知迎风面积A＝1.552m2,空气密度ρ＝1.184kg/m3，速度v＝30m/s，可以计算出风阻系数Cd＝0.129，远低于现有车辆行驶过程中的风阻系数。
优化后的三维实体模型沿其长度方向水平切开，剖面形状为两个互相连接的且留有间隔的船形结构1，如图2所示；优化后的三维实体模型沿其长度方向纵向切开，两个船形结构1的上方设有鱼形结构2；船形结构1和鱼形结构2直接通过相贯线进行连接，连接过渡部分采用圆角设计，顶部鱼形设计使的气流也比较平顺涡流阻力小。
三维实体模型优化完成之后，使用碳纤维进行车身的加工制造；在加工车身之前，要根据其造型参数先将模具加工完成；整个车身可以分为上下车身两部分进行开模；模具完成之后，使用碳纤布、利用热压罐工艺，经过固化、脱模以及表面处理最终形成由正反两层碳纤维布铺制而成的碳纤维车身。
上述实施例仅例示性说明本专利申请的原理及其功效，而非用于限制本专利申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本专利申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本专利申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本专利请的权利要求所涵盖。
Claims (4)
1.一种双船形低风阻太阳能赛车车身的优化设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S01：读入优化设计前的车身形状参考；
S02：捕捉优化设计前的所述车身形状参考数据中的特征线，所述特征线是指围成所述车身构造型面的曲线；
S03：在特征线的基础上将优化设计前的所述车身形状参考数据变换为双船形三维实体模型参数，包括所述车身的长度L，所述车身的宽度W，所述车身的高度H以及所述车身的关键点位坐标参数；
S04：对所述三维实体模型进行分析前处理，包括定义单元类型、定义材料属性、定义单元尺寸、定义单元形状；
S05：对所述三维实体模型定义设计变量：定义所述车身前部高度的6个所述设计变量（V1,V2,V3,H4,H5,H6）、中部高度的2个所述设计变量(V8,V10)以及尾部高度的8个所述设计变量(V12,V13,V14,V15,V24,V25,L18,L23)；
S06：对所述三维实体模型添加约束条件：以L/1000mm为其计算步长，所述设计变量的变换区间为±L/100mm，使用Fluent软件进行气流模拟仿真，以正常太阳能赛车的行驶速度为准则设置相应的风速；
S07：利用计算机对三维实体模型进行外流场仿真分析计算，要合理设置迭代步数、设置监控数据、观察残差曲线，使得计算能够最终达到收敛，得出准确合理的计算结果；并通过Fluent的后处理模块得出所述车身表面及各个截面的速度、压力分布，并可得到不同方向的风阻系数参数；
S08：根据经验及最终目标需求判断是否满足所述三维实体模型的造型设计要求，若不满足最终要求，则返回原三维实体模型，继续进行修改；
S09：优化分析得出尺寸形状最优解：以各个设计变量的模型初始值为优化设计的初始值，进行所述车身的有限元分析，获得所述风阻系数的初始值；以计算步长为单位对所述设计变量进行迭代优化，得到所述风阻系数最小时设计变量的集合。
2.根据权利要求1所述的双船形低风阻太阳能赛车车身的优化设计方法，其特征在于：优化后的所述三维实体模型沿其长度方向水平切开，剖面形状为两个互相连接的且留有间隔的船形结构。
3.根据权利要求1所述的双船形低风阻太阳能赛车车身的优化设计方法，其特征在于：优化后的所述三维实体模型沿其长度方向纵向切开，两个船形结构的上方设有鱼形结构；所述船形结构和所述鱼形结构直接通过相贯线进行连接，连接过渡部分采用圆角设计。
4.根据权利要求1所述的双船形低风阻太阳能赛车车身的优化设计方法，其特征在于：所述三维实体模型优化完成之后，使用碳纤维进行所述车身的加工制造；在加工所述车身之前，要根据其造型参数先将模具加工完成；所述车身分为上下两部分进行开模；模具完成之后，使用碳纤布、利用热压罐工艺，经过固化、脱模以及表面处理最终形成由正反两层碳纤维布铺制而成的碳纤维车身。
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