空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)汽車外形設(shè)計(jì)的影響綜述

楊芯萍 宋春華 曾孟蘭 羅倩 董學(xué)蓮

摘 要：對(duì)國(guó)內(nèi)外空氣動(dòng)力學(xué)的演變歷史、典型應(yīng)用與影響因素進(jìn)行了綜述，分析了現(xiàn)有的空氣動(dòng)力學(xué)在汽車外形設(shè)計(jì)應(yīng)用中的問(wèn)題，提出了擬解決方法，闡述了空氣動(dòng)力學(xué)在汽車外形設(shè)計(jì)中的發(fā)展趨勢(shì)，為汽車空氣動(dòng)力學(xué)外形設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵字：空氣動(dòng)力學(xué);綜述;汽車外形設(shè)計(jì);發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：O355 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）06-123-03

Abstract： This paper reviewed the evolution history， typical applications and influencing factors of aerodynamics at home and abroad， analyzed the existing aerodynamics in the application of automotive shape design， and proposed some solutions to explain the aerodynamics. The development trend of aerodynamics in automobile shape design is described， which provides reference for automobile aerodynamic shape design.

Keywords： Aerodynamics; Overview; Automotive shape design; Development trend

CLC NO.： O355 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）06-123-03

引言

空氣動(dòng)力學(xué)是汽車外形設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一，汽車良好的氣動(dòng)性能有助于改善其行駛性能，提高燃油經(jīng)濟(jì)性與操作穩(wěn)定性[1-3]。

本文對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外空氣動(dòng)力學(xué)在汽車外形設(shè)計(jì)的相關(guān)應(yīng)用情況進(jìn)行了綜述，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了闡述，以期為汽車外形的氣動(dòng)性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究

1.1 汽車外形演變歷史

從箱形車身到楔形車身，汽車外形經(jīng)歷了從單純滿足代步需求，到注重舒適度與美感，再到功能、美感與節(jié)能環(huán)保并重的演變，是汽車氣動(dòng)性能不斷優(yōu)化的過(guò)程[4-5]。圖1所示展示了汽車形態(tài)演變的六階段。

如圖2所示，速度較低時(shí)，氣動(dòng)阻力對(duì)汽車行進(jìn)的影響較小，總阻力主要來(lái)自滾動(dòng)阻力;當(dāng)車速到達(dá)120（km/h）時(shí)，氣動(dòng)阻力占總阻力的70%，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力主要用來(lái)克服空氣阻力做功[13-14]。

2.2 風(fēng)阻系數(shù)

一般地，一輛車的風(fēng)阻系數(shù)是固定的，風(fēng)阻系數(shù)越大，空氣阻力越大。到目前為止，“楔型”車身外形被認(rèn)為是氣動(dòng)性能最佳的形狀。

2.3 迎風(fēng)面積

理論上，迎風(fēng)面積與空氣阻力呈正比，減小迎風(fēng)面積可以降低空氣阻力，但實(shí)際上，因汽車內(nèi)部空間的需求與限制，迎風(fēng)面積受制于汽車的整體架構(gòu)，很難得到進(jìn)一步的減小[1]。

3 空氣動(dòng)力學(xué)在汽車外形設(shè)計(jì)應(yīng)用中的問(wèn)題及擬解決方法

3.1 問(wèn)題分析

現(xiàn)階段，空氣動(dòng)力學(xué)在汽車外形設(shè)計(jì)中的應(yīng)用還存在很多問(wèn)題：

（1）汽車的氣動(dòng)設(shè)計(jì)和仿真軟件不能智能篩選與反饋設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以及各個(gè)指標(biāo)參數(shù);設(shè)計(jì)、調(diào)試周期長(zhǎng);仿真結(jié)果精確度不夠等。

（2）作為汽車氣動(dòng)性能研究的重要手段，風(fēng)洞試驗(yàn)存在以下問(wèn)題：設(shè)備投資大[5];試驗(yàn)周期長(zhǎng)[5];堵塞效應(yīng);地面效應(yīng);試驗(yàn)結(jié)果不夠精確等。

（3）最優(yōu)化氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)的概念的提出讓車身外形同質(zhì)化現(xiàn)象日益嚴(yán)重，缺乏個(gè)性化和多樣化。

3.2 擬解決方法

針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一些擬解決方法：

（1）設(shè)計(jì)軟件智能化。舉例說(shuō)明：在軟件啟動(dòng)之初，預(yù)存目前最優(yōu)化的氣動(dòng)造型的相關(guān)數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)方案，在每一輪的新的設(shè)計(jì)中，一旦產(chǎn)生更優(yōu)化、風(fēng)阻更小的數(shù)據(jù)，軟件能自動(dòng)替換預(yù)存的數(shù)據(jù)及方案，并在下一次設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)者進(jìn)行提示，以此減少不必要的設(shè)計(jì)時(shí)間，提高效率。

（2）風(fēng)洞試驗(yàn)反饋設(shè)計(jì)。采用紅外線壓力傳感器采集數(shù)據(jù)，在既不改變汽車外形的情況下，達(dá)到以下目的：第一，提高風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性;第二，反饋數(shù)據(jù)用于再優(yōu)化設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)周期;第三，為汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供載荷依據(jù)。

（3）概念造型。注重創(chuàng)意造型，概念造型能給汽車外形設(shè)計(jì)提供新的方向。例如圖3的奧迪品牌分體式概念車，雖然風(fēng)阻系數(shù)有所增加，但造型獨(dú)特，識(shí)別度很高。

4 空氣動(dòng)力學(xué)在汽車外形設(shè)計(jì)的應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)

未來(lái)的汽車造型仍將是多個(gè)學(xué)科交叉的成果。當(dāng)代汽車外形設(shè)計(jì)界提出“性能服務(wù)于造型[15]”的口號(hào)，很好的說(shuō)明機(jī)械工程學(xué)和人機(jī)工程學(xué)已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的發(fā)展階段，而空氣動(dòng)力學(xué)在汽車外形設(shè)計(jì)上還具有很大的發(fā)展余地：一方面，智能傳感器的發(fā)展、材料工藝的提升以及人工智能的發(fā)展都為汽車氣動(dòng)特性的研究與應(yīng)用提供了條件;另一方面，個(gè)性化定制的需求、節(jié)能環(huán)保大環(huán)境的趨勢(shì)都要求未來(lái)的汽車外形設(shè)計(jì)要結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)、美學(xué)等多方面的因素來(lái)設(shè)計(jì)，空氣動(dòng)力學(xué)在汽車外形設(shè)計(jì)上的應(yīng)用十分有意義。

5 總結(jié)

人們一直致力研究風(fēng)阻低、穩(wěn)定性好的車身造型，因?yàn)閮?yōu)秀的汽車外形設(shè)計(jì)不僅是對(duì)汽車性能的優(yōu)化，也是對(duì)潛在客戶的感官吸引。雖然現(xiàn)階段空氣動(dòng)力學(xué)在汽車外形設(shè)計(jì)方面的研究與應(yīng)用取得了一些成就，但因?yàn)楦鞣N原因，空氣動(dòng)力學(xué)在汽車外形設(shè)計(jì)上的研究與應(yīng)用還處在探索階段，汽車氣動(dòng)特性理論遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到完善的地步。

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