某SUV造型優化仿真分析

趙振宗，趙曉明，徐林，李曉璐

（1．長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000；2．友好際通（天津）科技有限公司，天津 301712）

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某SUV造型優化仿真分析

趙振宗1，趙曉明2，徐林2，李曉璐2

（1．長城汽車股份有限公司技術中心，河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000；2．友好際通（天津）科技有限公司，天津 301712）

摘 要：文章首先對某SUV進行了外流場和氣動阻力敏感性分析，然后在敏感性分析的基礎上，得到車型存在的優化位置為前大燈、霧燈、A柱和尾翼，采用正交試驗來研究這些位置的變化對氣動阻力的影響，最后根據正交試驗所得結果對原始模型進行優化改進，得到合理的車身氣動造型優化方案。優化方案的風阻系數與原方案相比，大幅降低。因此，在車型開發前期，結合敏感性分析和正交試驗可以更好的指導汽車的造型設計，使之更好的展現空氣動力學特性。

關鍵詞：CFD；敏感性分析；正交試驗；造型優化

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.028

A certain SUV model optimization simulation analysis

Zhao Zhenzong1, Zhao Xiaoming2, Xu Lin2, Li Xiaolu2
( 1.Great Wall motor Co., Ltd.Technology center, automotive engineering technology research center in Hebei province, Hebei Baoding 071000; 2.The friendly international (tianjin) technology Co., Ltd., Tianjin 301712 )

Abstrat: An external flow analysis of a SUV and Sensitivity analysis of aerodynamic drag have been carried out.On the basis of Sensitivity analysis, headlights, fog lamp,A pillar and spoiler can be optimized.The influence of the change for the position of these positions is studied by orthogonal test.The optimum scheme of the vehicle body is obtained by the orthogonal test.The drag coefficient of optimization scheme greatly reduced compared with the original scheme.Therefore, in the early stage of the car styling design, combining the sensitivity analysis and the orthogonal test can better guide the design of the automobile, whichmakes it better to show aerodynamic characteristics.

Keywords:CFD; Sensitivity analysis; The orthogonal experiment; Shape optimization

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-83-03

前言

汽車的空氣動力特性直接影響車輛的動力性、經濟性和操縱穩定性。如何降低車身的氣動阻力，提高汽車的空氣動力學性能是汽車研發面臨的重要問題[1]。風阻系數的大小是衡量汽車氣動性能好壞的重要指標。最合理的情況是在車輛外形滿足其他性能要求的同時有足夠小的風阻系數[2,3]。在車型的開發過程中，特別是開發前期，作為風洞試驗的補充及替代，利用CFD仿真技術可以更好的進行汽車外造型的氣動優化工作。CFD可以快速考察造型對空氣動力學性能的影響程度[4]。隨著CFD技術的不斷發展，商業計算軟件都增加了敏感性計算模塊。汽車氣動特性敏感性分析主要可以計算汽車造型對汽車氣動特性（如壓力、風阻等）的影響情況。工程師可以在依據以往經驗的基礎上，參考敏感性分析得到的較為詳細的數據，對汽車進行造型評估或優化改進。

1、流場分析及外形優化

1.1 外流場分析

為了準確體現實車特征，模型包含了后視鏡和車窗密封條等部件；對底盤進行平板簡化和進氣格柵封閉處理。流體域為三維定常不可壓流體，采用雷諾時均N-S方程，并選擇Realizable k-ε湍流模型，空間離散采用二階迎風差分格式。計算模型如圖2所示，采用多面體網格，數量約為1200萬，計算風阻系數為0.3148。

圖1　計算模型圖

1.2 敏感性分析

分析優化目的是通過改變造型來降低阻力。當穩態計算結束后，通過CFD軟件中的伴隨求解模塊來建立輸出物理量對車型幾何參數的敏感性，通過分析敏感性數據來定位阻力影響較大區，明確優化區域。圖2為敏感性分析結果。

圖2　敏感性分析結果

由圖3所示的外形敏感性云圖中可以觀察到，霧燈、前大燈、A柱和尾翼等區域為阻力敏感性較大的區域（紅色區域），對這些位置形狀稍作修改，就能引起阻力的較大變化；而敏感性較小的區域（藍綠色區域），進行外形調整，對阻力影響比較小。

1.3 正交試驗優化

為了能夠準確得到上述霧燈、前大燈、A柱和尾翼四個位置對該SUV氣動阻力影響程度的大小，并在一定范圍內得到最小風阻系數的最佳組合，本文采用正交試驗方法對所有位置進行優化分析。

根據正交試驗原理，采用L9（34）正交表，并將9個試驗依次計算得到風阻系數。正交試驗分析結果如表1所示。

從表1中可以看到，試驗結果的極差為δA> δB> δD> δC，說明因素A(前大燈內收)對風阻系數造成的影響最大，其次依次為因素B(霧燈平滑處理)、因素D(尾翼下壓)，因素C(A柱下調)對結果造成的影響最小。通過對均值的比較，可以確定最優組合為A3B3C1D3，即前大燈內收15mm、霧燈按照方式3平滑處理、A柱下調6mm和尾翼下壓6°。試驗表中沒有這種組合，因此，需要對這個組合進行重新計算。經計算，優化后模型的風阻系數為0.259。

表1　正交試驗分析表

圖4　優化前后霧燈壓力分布對比

通過圖4可以看到，原造型霧燈特征明顯，壓力突變明顯；造型優化后，對原特征進行平滑處理，霧燈處的正壓區和負壓區過渡明顯緩和，減少了壓力突變造成的能量損失，優化后的正壓區面積也有一定程度的減少。

圖5　優化前后等壓面湍動能對比

等壓面湍動能分布可以顯示氣流分離情況，以及由于氣流分離導致的能量耗散的大小。圖5顯示的優化前后對比圖可以看出，優化后，車輛前端和后部氣流分離明顯改善，分離區域變小，等壓面的湍動能也有很大程度的降低。

3、結論

對某款SUV進行了CFD分析，并應用軟件的伴隨求解模塊進行了敏感性分析，在此基礎上，結合正交試驗設計對車身進行了部分優化，得到如下結論：

（1）優化后較優化前，某SUV的風阻系數由0.315降

低為0.259，降幅達17.73%，效果明顯；

（2）敏感性分析可以具體體現該車型的優化位置，包括霧燈、前大燈、A柱和尾翼，相對于依靠經驗優化，敏感性分析更加準確；

（3）通過正交試驗結果分析得到影響該車型氣動阻力的主要因素，找到了最優的造型參數組合。此外，針對多因素多水平的優化問題，運用正交試驗方法可以降低試驗次數，提高優化效率。

在車型開發前期，通過進行流場分析、敏感性分析和車型優化分析三個過程，可以使汽車的造型設計與空氣動力學特性更好的結合，這對實際工程應用有一定的借鑒作用。

參考文獻

[1] Chung Sun Lee, Abdulkareem Sh.Mahdi Al-Obaidi.Calculation and Optimization of the Aerodynamic Drag of An Open-Wheel Race Car[J].EURECA 2013.29-30.

[2] Giovanni Lombardi, Marco Maganzi.Use of the CFD for the Aerodynamic Optimization of the Car Shape: Problems and Application[J].EASC 2009 4th European automotive simulation conference

[3] 熊超強.低阻力汽車外流場的數值模擬及其誤差分析[D].華南理工大學2012.

[4] 唐世坤,苗玉禮,王千浩.汽車外流場分析及其在汽車設計中的應用[J].汽車科技.2015(02).

測試試驗

作者簡介：趙振宗，碩士，就職于長城汽車股份有限公司。從事汽車空氣動力性能控制方面工作。

中圖分類號：U467.3

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-83-03