空氣動力學在汽車造型設計中的研究與應用

文/王洪正 李曉峰（江淮汽車集團股份有限公司）

一、風阻對汽車能耗的影響

風阻系數是衡量汽車空氣動力學的一個重要指標，風阻系數越小，汽車的空氣動力學特征越優越，正面迎來的氣流也就越容易掠過車身，整個過程平滑自然。因此，降低汽車風阻系數是節省燃料的重要措施。相關研究表明，風阻系數每減小1%，整車油耗節約約0.03L/100km；風阻系數每減小5%，NEDC油耗降低約1%。因此，可以通過對造型、發動機艙布置等方面的優化設計降低風阻，從而達到降低整車油耗的目的。

在汽車風阻中，可以看出外形阻力對風阻的影響占58%，所以，從造型入手研究汽車空氣動力學，對于降低風阻和整車油耗非常有意義。

二、空氣動力學在汽車造型設計中的研究現狀

1.國內外研究現狀

國內空氣動力學在汽車造型設計中的應用尚在起步階段，而國外大型車企早已經將空氣動力學設計體現在其各個級別的車型中。為了克服風阻，設計師將車身設計得趨向圓滑，從車頭到車頂間的曲線也越來越自然，更容易突破迎面氣流的阻礙。

2.本企業研究現狀

江淮汽車目前車型的風阻系數不盡如人意，在空氣阻力設計方面有較大的提升空間。企業的空氣阻力設計方面經驗欠缺，表現在CFD模擬分析方法不成熟，分析精度低；風洞試驗未曾涉及，缺乏試驗經驗；尚未建立相關設計流程，缺乏設計思路。

三、造型設計與空氣動力學理論研究

1.汽車空氣動力學與汽車性能

汽車空氣動力學設計與汽車性能主要體現在使用性、經濟性、安全性、舒適性等方面,如圖1所示。汽車空氣動力特性對汽車的動力性、經濟性、操縱穩定性和舒適性有重要影響，設計空氣動力特性良好的汽車，是提高汽車動力性、經濟性的重要途徑，而高速汽車的空氣動力穩定性是汽車高速、安全行駛的前提。改善駕駛室的內流特性，在減阻的同時，提高發動機、制動器部件的效能，降低空氣動力噪聲，則是保障舒適性的前提。

圖1 汽車空氣動力學與汽車性能

2.汽車空氣動力學設計程序

對汽車基本外形，在其設計初期要進行空氣動力特性估算，并對與空氣動力特性相關的各種性能諸如動力性、經濟性、發動機冷卻特性、空調性能、氣動噪聲等進行分析，發現問題時對造型圖進行反復修改。外形設計主要考慮駕駛室是否有足夠的空間；進行車身前端與后部形狀、發動機罩的傾斜、前風窗的傾斜、后端的傾斜、基本外形等汽車外形設計；考慮安全法規的要求；確定車長、車高、軸距等外形尺寸，在確保乘員空間的前提下，在可能限度內盡量縮短車身總長；發動機冷卻系與冷卻格柵的設計[1]。

完成了汽車造型設計后，對于全新的設計，未知的問題還很多。首先應進行汽車性能的估算，但僅僅根據估算法還不能充分地分析汽車的性能，應制作概念車模型，反復進行風洞試驗，以開發出優質車。為縮短試驗時間、節省費用，應根據大量的估算數據進行汽車空氣動力特性分析，減少模型的制作個數。經過模型風洞試驗確定了最佳氣動外形后，再進行樣車試制、氣動特性的確認試驗。性能試驗確認樣車合乎要求后，就可以進行樣車試制。

四、汽車造型降風阻優化設計模型構建

1.造型設計與風阻優化

汽車的造型設計與降風阻關系密切。如果造型設計階段能夠有效降低風阻，并不需要增加制造成本就可以產生節油的收益；反之，增大的油耗成本將影響汽車的整個使用周期。因此在造型階段，造型設計師和空氣動力學工程師必須緊密合作[2]。

汽車的氣動阻力包括壓差阻力和摩擦阻力，以壓差阻力為主，因此汽車的降風阻重點在于壓差阻力。細分風阻的來源有車身上部；車身下部，包括車輪、輪轂罩等；車外突出物，如后視鏡等；發動機冷卻氣流；空調與通風氣流；零部件通風，如剎車冷卻氣流等。其中前三項為外流阻力，后三項為內流阻力。

降風阻造型優化設計以外型優化和局部優化兩種方式為主，對應于國內通常所說的平臺車型開發和改款開發。平臺車型開發給造型設計提供較大的自由度，空氣動力學優化設計可從造型開始，針對外型優化；改款開發基于已有的車型，外型優化自由度很小，只能局部改動增加降阻部件，以局部優化為主。

有許多車身設計參數的微小改變有助于減小風阻，而這些局部微小的改動并不影響造型設計風格，這類氣動優化設計措施，稱為局部優化。局部優化一般是從已有的車型設計出發，逐步降低風阻，通常不改變造型，然而在具體設計過程中卻會出現不得不改變造型的情況，例如從硬朗的棱角到圓弧，造型轉向柔和。與之對應的外形優化，一般從滿足空間需求的某一個低阻力的基本型開始進行優化。

2.汽車造型降風阻設計流程

在汽車設計流程中，降風阻設計伴隨著整個開發流程。圖2為汽車開發設計過程中嵌入的降風阻研發工作，分為五個階段。

預研前期：規劃風阻，評估概念方案的風阻，定位市場競爭位置。

圖2 嵌入在汽車開發流程中的降風阻設計流程

概念設計：造型（氣動外型）優化，規劃氣流管理，預測實車的風阻數值。

車身設計：進一步完成上一階段的工作，并推進實車風阻數值的準確度；集中進行局部氣動優化，確定零部件的設計方向；驗證評估凍結方案的氣動性能。

性能開發：根據動力性能、燃油經濟性、舒適性、安全性、耐久可靠性等進行降風阻設計流程的設計和完善。

量產售后：驗證風阻數值，協助評估制造質量的一致性，充實企業自主設計數據庫。

3.降風阻的設計方法

降風阻設計的方法是多部門、多學科協作建立起來的。圖3所示是最基本的、也是最有效的分析方法。

幾何分析：從形狀入手，通過橫向對比和氣動概念的基本分析，確定造型氣動優化設計的趨勢性方向，如尺寸比例、面的角度、邊的弧度、局部細節等。

流動分析：分析車身周圍的氣流邊界層和流動分離，分析表面壓力分布趨勢，與幾何分析相配合，進一步確定造型氣動優化設計的趨勢性方向。

氣動力分析：分析汽車整體的氣動力。

性能分析：利用油耗、最大車速計算分析程序評估氣動性能。

圖3 降風阻設計的系統方法

五、空氣動力學在汽車造型設計中的運用實例驗證

1.和悅A30驗證

為滿足更低油耗、更節能環保的汽車法規要求，汽車主機廠在眾多技術方向開展“減阻力、降油耗”的研究，其中包括以“降風阻”為目標的“造型氣動優化”研究。和悅A30是一款自主轎車代表車型，結合該車型的改進造型設計，嘗試開展了一系列的氣動阻力優化分析和測試驗證工作。

和悅A30整備質量1110kg，滿載質量1410kg，綜合油耗5.9L/100km，用戶油耗6.4～7.8L/100km。整個風阻測試過程利用同濟大學汽車風洞共進行了三輪氣動力測試：第一輪是氣動性能參數摸底，經過CFD反復分析測試風阻系數為0.345；第二輪是降風阻優化方案驗證；第三輪是降風阻優化方案驗證。

以第二輪降風阻優化方案驗證為例，此輪優化以加裝“氣動套件”思路為主，兼顧造型的變化。增加封堵部分格柵、前輪擋板、封發艙兩側底部、更改輪罩造型等方式，如圖4所示，經過CFD分析和實際風洞試驗，最終風阻系數為0.321，降低了7%。

圖4 A30轎車CFD分析

2.瑞風M4驗證

對瑞風M4進行了氣動優化設計，各方案累加最佳效果能降低風阻9.3%。在風洞試驗中進行了方案的驗證工作，最佳組合方案能降低風阻系數7.2%（其中增加底部平整化方案能降低4.8%，后風窗導風板能降低2.4%）。

3.瑞風S7驗證

在S7項目中在SE數據階段，通過運用設計方法及經驗，通過底盤平整化等方式，將風阻由0.407降低至0.3625，降低10.9%，降風阻方案將進行風洞試驗驗證。

六、小結

本文通過對空氣動力學在汽車造型設計中的現狀進行分析，研究造型設計與空氣動力學理論，構建了汽車造型降風阻優化設計模型。通過研究建立汽車造型降風阻設計流程與設計方法。通過江淮汽車實際整車項目，驗證和完善了設計流程和設計方法，最終用于指導汽車氣動設計。