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基于CFD中，汽车造型开发早期概念阶段的气动性能评价系统

2019-09-14 20:14:47·  来源：蒋永欣 AutoAero  
　
早期采用的一种气动造型评价系统构建了汽车发展阶段。基于CFD该系统由外部模型变形、计算网格生成、流计算和结果分析所组成，其过程是过程自动化软件自动连续执
早期采用的一种气动造型评价系统构建了汽车发展阶段。基于CFD该系统由外部模型变形、计算网格生成、流计算和结果分析所组成，其过程是过程自动化软件自动连续执行。通过系统输出的响应面和平行坐标图，用户可以找到一个在空气动力学和外观造型方面都非常平衡的外观形式，这通常很难通过传统的CAE方式和比例模型风洞测试获得。该系统的设计使得5个参数的研究在大约两天的时间内完成，因此被广泛应用于实际的外观造型开发中。并以掀背式车辆为例介绍了其应用。 图1说明了车辆的开发阶段。
系统框架
本系统由一些商业的软件和内部系统组成，即FAST(流体分析仿真工具)。用户不需要直接操作软件去网格划分和CFD计算等，因为这个过程是由一个原始的GUI高度自动化的。
GUI
最初的GUI是为那些不习惯CFD操作的人设计的。它支持用户执行作业，即，参数化研究，一旦提交作业，系统不需要操作，直到所有设计模型的计算完成。GUI还提供了一些图表，告诉空气动力学家和外部造型设计师什么设计参数对空气动力学性能有很大影响，主要是阻力系数，即、Cd。
流程
首先，用户需要准备由STL数据、变形区域定义和设计参数信息组成的变形设置文件。然后，将变形设置文件输入系统，确定需要计算的设计模式，使用GUI执行CFD过程。包括外部模型变形、网格生成和计算的CFD过程由商业过程自动化软件自动控制，即mode FRONTIER。最后，建立了响应曲面图和平行坐标图，以方便用户理解设计参数对气动性能的影响。图2按照图式地概述了GUI和系统流程的作用。除了变形设置之外，所有的程序都是在没有任何费力的工作的情况下执行的。
变形设置
在系统实现之前，需要准备外部数字模型和设置变形定义。用户必须定义变形区域，包括如图3所示的控制区域、变形区域和固定区域，以及变形方向和变形量。
变形信息和STL外部数据存储在一些文件中，这些文件允许系统在后续的批处理模式中自动地变形外部模型。图4显示了基准模型和变形模型的示例。
 
应用
对掀背式模型的气动性能潜力进行了研究。系统分析了设计参数对Cd的影响，系统分析的结果和比例模型风洞试验Cd值比较，确实存在误差，但成功地预测了四个外观造型设计方案的设计参数效果和Cd值的大小排序。
首先，对基准掀背模型进行3参数研究，如图10所示。表1解释了这三个参数。它们决定了掀背车的后部侧视图造型。这三个参数有三个层次。
通过系统的参数化研究，得到了响应曲面和平行坐标图。图11以二维方式显示了响应曲面。我们的目标函数值是Cd。
 
三个图分别显示了：沿车顶轮廓线后缘的平移（即参数A），沿z方向的后缘平移（即参数B），车顶顶板整体在z方向上平移的，即参数C。以下图表显示，屋顶越高，Cd值越低，但这也包括了一个事实，即正面投影面积随着屋顶高度的变化而变化。图表还显示，与参数B相比，参数A对Cd的影响更大。图12显示了其他两个参数固定在原始位置时的每个参数效果。横轴和纵轴分别表明了Cd关于基线形状和变形量的差异。很明显，参数a极大地提高了Cd值，如图12-a所示。这意味着长的顶板有利于降低Cd，车顶板后缘似乎对升力系数也很敏感。另外两个参数对Cd也有较好的影响。但是，与参数a相比，它也表明了在确定的设计范围内的更小的变化，如图12-b和12-c所示。
图13分别显示了基准模型的流动可视化图片。如图13-a、13-b、13-c所示，参数A+100[mm]，参数B-50[mm]，参数C+25[mm]时的情况。左边的图显示诱导阻力，右边的图显示形状阻力。参数A明显减小了诱导阻力，如图13-a所示。这一工况直接导致Cd值下降，如图12-a所示。另外两个参数对诱导阻力也有较好的影响。
小结
该系统不仅可以让CFD人员，也可以让那些对CFD知之甚少的人研究外部造型设计对气动性能的影响。与传统的CAE方法相比，参数研究时间是大大缩短的，因此可以应对实际的开发速度。该系统已在实际开发中应用于更详细的形状模型，虽然本文只给出了一个简单的模型实例。在外部造型的早期阶段，了解什么样的参数对气动性能有影响，什么样的造型设计比其他方案具有更大的气动潜力，而不是一个精确的Cd值，是非常重要的。对CFD精度的要求过高会导致CFD执行时间过长。具有合理准确性的响应面和一个平行坐标图提供了大量的信息,因此,空气动力学家和外部造型设计师可以达到他们共同信服的目标。
文章总结来自：Ando, K., Kuratani, N., and Fukuda, H., "Aerodynamic Performance evaluation System at the Early Concept Stage of Automotive Styling Development based on CFD," SAE Technical Paper 2016-01-1584, 2016, doi:10.4271/2016-01-1584.
 
如有意相关技术合作，请联系张英朝教授，发邮件至：yingchao@jlu.edu.cn！
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