基于理想形體汽車造型設計研究＊

陳 杰 黃妙華

（武漢理工大學汽車工程學院 武漢 430070）

汽車造型設計是汽車產品開發至關重要的環節，好的汽車造型可以迅速激發消費者購買欲望，也能快速提高企業的品牌形象及產品競爭力.汽車造型一般包括美學造型和氣動造型，美學造型決定車身外觀，氣動造型則決定汽車的氣動性能［1－2］.氣動性能優異的汽車不僅節能環保還能增加汽車在行駛時的安全穩定性，然而現代汽車設計更多的將美學設計放在首要位置，空氣動力學放在了次要位置，空氣動力學在汽車造型過程中只得到有限運用［3－4］.由于美學造型和氣動造型兩者思維及方法都截然不同，因此如何有效的將兩者結合起來是一個極具挑戰的任務.

1 基于理想形體的汽車造型方法

傳統汽車造型方法是以造型設計師的二維草圖為基礎的（見圖1），工業設計師將腦海中造型概念及創意通過手繪草圖或者著色效果圖表達出來，反復推敲直到造型方案確定.此后進入油泥模型階段，工程人員在油泥模型上不停修改車身外形直到第一次油泥模型確定，然后會對油泥模型進行風洞實驗驗證其空氣動力學性能.通過風洞試驗數據空氣動力學工程師對造型方案提出有限的修改方案，經過多次修改直到整個造型方案最終完成［5－6］.

圖1 傳統汽車造型設計方法

基于理想形體造型方法以汽車空氣動力學整體優化為目標（見圖2），以低阻力系數為造型的起點.低阻力系數形體一般為輪廓規則簡單的三維實體，而汽車由大量不規則自由曲面組成，如何將“丑陋”的理想形體變成漂亮的汽車外觀需要三維草圖進行過渡.三維草圖是一種基于CAD平臺、位于立體空間的概念草圖，它由三維特征曲線組成，能夠像二維草圖一樣表達出車身的造型風格，也可以支持三維視角觀察，其草圖曲線可以自由編輯并能融入工程信息.

圖2 基于理想形體的汽車造型設計方法

本文在傳統造型設計方法和基于理想形體造型設計方法的基礎上提出了一種兼顧美學和氣動造型的設計方法（見圖3）.該方法以理想形體為起點，美學造型為手段，三維草圖為造型平臺，能夠將美學造型和氣動造型有效的結合起來［2］.

圖3 氣動造型與美學造型結合方法

2 基于理想形體汽車造型實例

以理想形體為造型起點，以三維草圖為平臺，以美學造型為技術手段設計一輛轎跑車，并利用空氣動力學對其氣動性能進行驗證，見圖4.

圖4 基于理想形體的汽車造型設計流程

2.1 理想形體的選擇

理想形體應該具有氣動阻力小并且其外形應該能夠適合汽車造型（如人機工程學、一定的美觀性、實用性等），本文通過之前空氣動力學項目的經驗構建了如下的理想形體，見圖5.

圖5 理想形體

理想形體需要進行空氣動力學驗證，由于條件有限只能在計算機上進行模擬仿真.首先對理想形體進行封閉然后對其進行網格劃分，最后導入到FLUENT中進行仿真.進過計算得到理想形體的阻力系數為0.18，結果較為理想.

從整體的理想形體輪廓來看其前部空間大后部空間小，因此可以將其設計為單排座椅、發動機前置的布置要求.

2.2 基于理想形體的造型三維草圖

理想形體得到之后應該抽取其輪廓特征線作為氣動造型的特征曲線，提取特征線時盡量保證每塊曲面的最初特征線如輪廓線、掃描線、脊線等，然后通過曲面之間的連續性將輪廓線融合最后得到整個理想形體的三維草圖.

理想形體三維草圖并不具有美觀性，需要將車身美學元素融入到理想形體的草圖之中.美學造型一般根據三視圖進行造型，因此應將美學設計中的二維設計通過投影的方法融入到理想形體的三維草圖中.

手繪圖案是二維形態，不能直接在三維空間中進行修改和編輯，因此要將設計的前臉二維圖案進行曲線編輯，然后根據傳統設計中的投影方法將二維手繪圖案定向投影到理想形體的輪廓進行融合.具體方法是將前臉圖案的曲線轉換成可編輯的三階四次NURBS曲線，然后向理想形體進行定向投影.在前臉方案定型之后，接下來將要考慮側臉方案以及后尾燈整體造型的融合了.加入其它的附件，然后對整個融合草圖進行適當的修正得到整車的三維草圖.其流程如圖6所示.

圖6 通過投影得到的整車三維草圖

2.3 基于三維草圖的汽車曲面造型

有了三維草圖這個氣動造型與美學造型的交融平臺，就可以利用三維草圖進行曲面輪廓的建立.本次造型采用CATIA中ACA及FFS模塊進行建模，通過三維草圖搭建輪廓并保證相關曲面的連續性.圖7為根據三維草圖簡歷的整車模型，為了后面分析的需要，模型進行了簡化及封閉處理.

圖7 由三維草圖簡歷的整車曲面輪廓

在根據三維草圖得到車身的曲面輪廓之后，根據設計者的愛好或者風格進行詳細的設計，如車燈、前臉、尾燈、后視鏡等.圖8分別為本次設計的三維數模以及渲染效果圖.

圖8 經過詳細設計的整車CAD模型及渲染效果圖

3 空氣動力學驗證

理想形體氣動阻力系數Cd＝0.18，將驗證以該理想形體為造型起點設計的方案的氣動性能.

在進行CFD模擬仿真之前需要對模型經行處理，封閉進氣格柵、車身底盤以及面與面之間的縫隙，對一些影響網格質量的地方進行圓化處理，車輪設置凸臺等.

將處理后的模型導入ANSYS－ICEM進行網格劃分，為了更好模擬汽車車身氣流分布，設置車身周圍流場分別為車身長寬高的12，8，6倍.在車身表面拉伸3層三棱柱網格來模擬車身表面層流運動.在關鍵區域加密并設置網格密度盒來保證仿真精度.圖9為劃分好的網格，總數在1 003萬.

圖9 網格方案

將網格導入到ANSYS－FLUENT軟件中，選擇高雷諾數的k－ε湍流模型，邊界條件設定為速度入口（v＝40m／s）、壓力出口邊界、滑移地面，邊界條件設置見表1.

表1 邊界條件設置

經過高性能計算機計算得出以理想形體為起點進行的造型設計方案的氣動阻力系數，通過對比就可以知道以低阻力系數的理想形體為起點的汽車造型能得到更好的空氣動力學性能.計算得出氣動阻力系數Cd＝0.275，氣動升力系數Cf＝－0.15.圖10為整車壓力分布.

由圖10可見，車頭進氣格柵和前擋風玻璃底部壓力最大，而前臉和發動機罩均可以設置進氣口來提高進氣效率從而抵消高壓的影響.

圖11為車身表面的氣流流線圖，可以看出，車身表面氣流較為平滑，上側氣流和兩側氣流在尾部分離后形成兩個對稱的湍流.

圖10 整車壓力分布

圖11 車身表面速度流線圖及尾部切面速度流線圖

從仿真分析結果來看，阻力系數為0.275，對于沒有添加氣動附件的轎車造型來說是比較理想的結果，后期可根據仿真結果修改造型進一步降低其風阻系數.

4 結束語

本文在傳統美學造型的基礎上提出了一種將氣動造型和美學造型結合起來的方法，以理想形體為造型起點，以三維草圖為造型平臺，以美學造型為技術手段進行氣動、美學結合造型，提出了該方法的具體設計流程.并以實例介紹了如何實現氣動造型和美學造型的結合，并通過模擬仿真驗證了這種造型方法的優點及可行性，該方法能夠充分發揮汽車的空氣動力學性能.

［1］江 濤.汽車車身氣動造型研究優化［D］.長沙：湖南大學，2011.

［2］谷正氣，郭建成，張清林.某跑車尾翼外形變化對氣動升力影響的仿真分析［J］.北京理工大學學報，2012，32（3）：248－252.

［3］郭軍朝.理想車身氣動造型研究與F1賽車空氣動力學［D］.長沙：湖南大學，2013.

［4］覃 群，黎仕增.基于STAR－CCM＋的某汽車外流場的數值模擬［J］.制造業自動化，2012（14）：151－153.

［5］吳 軍.汽車外流場湍流模型與菱形新概念車氣動特性的研究［D］.長沙：湖南大學，2005.

［6］鄭春雷，胡壽根，陳康民.轎車車身外部流場的數值模擬及分析［J］.上海理工大學學報，2000（3）：55－58.