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基于CFD中，汽車造型開發(fā)早期概念階段的氣動(dòng)性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)

2019-09-14 20:14:47·  來源：蔣永欣 AutoAero  
　
早期采用的一種氣動(dòng)造型評(píng)價(jià)系統(tǒng)構(gòu)建了汽車發(fā)展階段?；贑FD該系統(tǒng)由外部模型變形、計(jì)算網(wǎng)格生成、流計(jì)算和結(jié)果分析所組成，其過程是過程自動(dòng)化軟件自動(dòng)連續(xù)執(zhí)
早期采用的一種氣動(dòng)造型評(píng)價(jià)系統(tǒng)構(gòu)建了汽車發(fā)展階段?；贑FD該系統(tǒng)由外部模型變形、計(jì)算網(wǎng)格生成、流計(jì)算和結(jié)果分析所組成，其過程是過程自動(dòng)化軟件自動(dòng)連續(xù)執(zhí)行。通過系統(tǒng)輸出的響應(yīng)面和平行坐標(biāo)圖，用戶可以找到一個(gè)在空氣動(dòng)力學(xué)和外觀造型方面都非常平衡的外觀形式，這通常很難通過傳統(tǒng)的CAE方式和比例模型風(fēng)洞測(cè)試獲得。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使得5個(gè)參數(shù)的研究在大約兩天的時(shí)間內(nèi)完成，因此被廣泛應(yīng)用于實(shí)際的外觀造型開發(fā)中。并以掀背式車輛為例介紹了其應(yīng)用。 圖1說明了車輛的開發(fā)階段。
系統(tǒng)框架
本系統(tǒng)由一些商業(yè)的軟件和內(nèi)部系統(tǒng)組成，即FAST(流體分析仿真工具)。用戶不需要直接操作軟件去網(wǎng)格劃分和CFD計(jì)算等，因?yàn)檫@個(gè)過程是由一個(gè)原始的GUI高度自動(dòng)化的。
GUI
最初的GUI是為那些不習(xí)慣CFD操作的人設(shè)計(jì)的。它支持用戶執(zhí)行作業(yè)，即，參數(shù)化研究，一旦提交作業(yè)，系統(tǒng)不需要操作，直到所有設(shè)計(jì)模型的計(jì)算完成。GUI還提供了一些圖表，告訴空氣動(dòng)力學(xué)家和外部造型設(shè)計(jì)師什么設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)性能有很大影響，主要是阻力系數(shù)，即、Cd。
流程
首先，用戶需要準(zhǔn)備由STL數(shù)據(jù)、變形區(qū)域定義和設(shè)計(jì)參數(shù)信息組成的變形設(shè)置文件。然后，將變形設(shè)置文件輸入系統(tǒng)，確定需要計(jì)算的設(shè)計(jì)模式，使用GUI執(zhí)行CFD過程。包括外部模型變形、網(wǎng)格生成和計(jì)算的CFD過程由商業(yè)過程自動(dòng)化軟件自動(dòng)控制，即mode FRONTIER。最后，建立了響應(yīng)曲面圖和平行坐標(biāo)圖，以方便用戶理解設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)氣動(dòng)性能的影響。圖2按照?qǐng)D式地概述了GUI和系統(tǒng)流程的作用。除了變形設(shè)置之外，所有的程序都是在沒有任何費(fèi)力的工作的情況下執(zhí)行的。
變形設(shè)置
在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)之前，需要準(zhǔn)備外部數(shù)字模型和設(shè)置變形定義。用戶必須定義變形區(qū)域，包括如圖3所示的控制區(qū)域、變形區(qū)域和固定區(qū)域，以及變形方向和變形量。
變形信息和STL外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一些文件中，這些文件允許系統(tǒng)在后續(xù)的批處理模式中自動(dòng)地變形外部模型。圖4顯示了基準(zhǔn)模型和變形模型的示例。
 
應(yīng)用
對(duì)掀背式模型的氣動(dòng)性能潛力進(jìn)行了研究。系統(tǒng)分析了設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)Cd的影響，系統(tǒng)分析的結(jié)果和比例模型風(fēng)洞試驗(yàn)Cd值比較，確實(shí)存在誤差，但成功地預(yù)測(cè)了四個(gè)外觀造型設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)參數(shù)效果和Cd值的大小排序。
首先，對(duì)基準(zhǔn)掀背模型進(jìn)行3參數(shù)研究，如圖10所示。表1解釋了這三個(gè)參數(shù)。它們決定了掀背車的后部側(cè)視圖造型。這三個(gè)參數(shù)有三個(gè)層次。
通過系統(tǒng)的參數(shù)化研究，得到了響應(yīng)曲面和平行坐標(biāo)圖。圖11以二維方式顯示了響應(yīng)曲面。我們的目標(biāo)函數(shù)值是Cd。
 
三個(gè)圖分別顯示了：沿車頂輪廓線后緣的平移（即參數(shù)A），沿z方向的后緣平移（即參數(shù)B），車頂頂板整體在z方向上平移的，即參數(shù)C。以下圖表顯示，屋頂越高，Cd值越低，但這也包括了一個(gè)事實(shí)，即正面投影面積隨著屋頂高度的變化而變化。圖表還顯示，與參數(shù)B相比，參數(shù)A對(duì)Cd的影響更大。圖12顯示了其他兩個(gè)參數(shù)固定在原始位置時(shí)的每個(gè)參數(shù)效果。橫軸和縱軸分別表明了Cd關(guān)于基線形狀和變形量的差異。很明顯，參數(shù)a極大地提高了Cd值，如圖12-a所示。這意味著長(zhǎng)的頂板有利于降低Cd，車頂板后緣似乎對(duì)升力系數(shù)也很敏感。另外兩個(gè)參數(shù)對(duì)Cd也有較好的影響。但是，與參數(shù)a相比，它也表明了在確定的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的更小的變化，如圖12-b和12-c所示。
圖13分別顯示了基準(zhǔn)模型的流動(dòng)可視化圖片。如圖13-a、13-b、13-c所示，參數(shù)A+100[mm]，參數(shù)B-50[mm]，參數(shù)C+25[mm]時(shí)的情況。左邊的圖顯示誘導(dǎo)阻力，右邊的圖顯示形狀阻力。參數(shù)A明顯減小了誘導(dǎo)阻力，如圖13-a所示。這一工況直接導(dǎo)致Cd值下降，如圖12-a所示。另外兩個(gè)參數(shù)對(duì)誘導(dǎo)阻力也有較好的影響。
小結(jié)
該系統(tǒng)不僅可以讓CFD人員，也可以讓那些對(duì)CFD知之甚少的人研究外部造型設(shè)計(jì)對(duì)氣動(dòng)性能的影響。與傳統(tǒng)的CAE方法相比，參數(shù)研究時(shí)間是大大縮短的，因此可以應(yīng)對(duì)實(shí)際的開發(fā)速度。該系統(tǒng)已在實(shí)際開發(fā)中應(yīng)用于更詳細(xì)的形狀模型，雖然本文只給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的模型實(shí)例。在外部造型的早期階段，了解什么樣的參數(shù)對(duì)氣動(dòng)性能有影響，什么樣的造型設(shè)計(jì)比其他方案具有更大的氣動(dòng)潛力，而不是一個(gè)精確的Cd值，是非常重要的。對(duì)CFD精度的要求過高會(huì)導(dǎo)致CFD執(zhí)行時(shí)間過長(zhǎng)。具有合理準(zhǔn)確性的響應(yīng)面和一個(gè)平行坐標(biāo)圖提供了大量的信息,因此,空氣動(dòng)力學(xué)家和外部造型設(shè)計(jì)師可以達(dá)到他們共同信服的目標(biāo)。
文章總結(jié)來自：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.
 
如有意相關(guān)技術(shù)合作，請(qǐng)聯(lián)系張英朝教授，發(fā)郵件至：yingchao@jlu.edu.cn！
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