1. 背景

近年來，隨著車輛傳統(tǒng)空氣動力學優(yōu)化技術的日益成熟，一些新興流動控制技術日益成為學術界及工程應用領域研究的熱點，包括合成射流控制、等離子體激勵主動控制、微電機系統(tǒng)流動控制以及智能材料自適應流動控制技術等。其中，智能材料作為新發(fā)展起來的一種新型功能材料，目前已在航空航天、生物醫(yī)學等研究領域取得一定應用[2]，然而其在車輛空氣動力學優(yōu)化方面的應用目前鮮有研究，本文將對智能材料在車輛空氣動力學優(yōu)化方面的應用做初步思考，為將來智能材料在該領域的廣泛應用提供一些思路。

2. 智能材料簡介

智能材料是由多種材料組元通過有機緊密復合或嚴格的科學組裝而構成的材料系統(tǒng)。由基體材料、敏感材料、驅動材料和信息處理器四部分組成。智能材料是多學科高度融合發(fā)展交叉的產物，涉及學科包括材料科學、人工智能、信息、機械、生化等。智能材料所具備的基本要素為：感知、反饋和響應。即類似生命系統(tǒng)，能感知外界環(huán)境或內部狀態(tài)發(fā)生的變化，通過材料自身或外界某種反饋機制，進而適時將材料某種或多種性質改變，做出期望的某種響應。代表性材料有形狀記憶合金材料、磁致伸縮材料、光敏材料、壓電材料等。以記憶形狀合金為例，2017 年 11 月，美國國家航空航天局（NASA）成功研制出一種使用記憶合金制成的免充氣輪胎，該輪胎所使用的記憶合金可實現(xiàn)在變形30% 的情況下卻不發(fā)生永久變形或者損壞；此外，其還能夠在延伸 10% 之后恢復原本的形態(tài)，而普通金屬材質只能延展0.3%~0.5%。由于記憶合金所具有的獨特優(yōu)勢，使該輪胎不易泄氣或爆胎，具有較高的安全性[2]。

3. 智能材料與車輛空氣動力學優(yōu)化

3.1.汽車主動尾翼

汽車尾翼，也稱為擾流板，其作用是可以有效減少汽車在高速行駛時的空氣阻力，以節(jié)省燃油消耗，此外，通過一定的優(yōu)化設計也可以減小汽車升力，提高汽車對地面的附著力，使汽車具有良好的操穩(wěn)性。目前，汽車尾翼主要為固定式結構，然而，汽車行駛過程中環(huán)境氣流變化復雜，不同車速下所需要的車尾壓力是不同的。因此，如何對環(huán)境變化進行靈敏感知并根據(jù)這些變化做出相應調整是目前一大研究熱點。近些年在一些高級跑車如邁凱倫P1、保時捷panamera、911Turbo、柯尼塞格Regera等均安裝了主動尾翼，然而其控制系統(tǒng)原理多為根據(jù)車速或加速度設計出某些狀態(tài)下尾翼的最佳角度及高度，并以某種信號輸出至控制器，控制器接收后通過執(zhí)行機構對尾翼進行調節(jié)，而車輛在實際道路行駛時，周圍氣流環(huán)境是實時變化且較為復雜的，如何能在車身周邊遍布多種類似鳥類感覺神經(jīng)的傳感器，以實時感知外界氣壓條件變化，將汽車尾翼通過一定執(zhí)行機構使其表面連續(xù)光滑的實時改變?yōu)樽钸m合形狀，使車輛氣動性能達到最優(yōu)是困擾學術界及工程領域的一大難題。智能材料的發(fā)展為該思路的實現(xiàn)提供了可能，如在航空航天領域，美國NASA曾與波音、空軍、美國國防部預研局等聯(lián)合開展的多項研究展示了柔性復合材料、形狀記憶合金等在自適應機翼和智能機翼上的應用潛能[3-6]。因此，將記憶合金等智能材料應用于汽車主動尾翼開發(fā)，通過智能材料的感知元件對環(huán)境狀態(tài)進行感知并反饋，在控制器分析決策后對尾翼形態(tài)進行實時改變，進而可獲得最優(yōu)氣動性能。

3.2.汽車主動阻風板

目前，在能源效益被日益推上新高的今天，通過盡可能降低車輛風阻系數(shù)的措施以進一步節(jié)約能耗已成為各大車企關注的重點，通過在汽車車輪前方增加阻風板以降低風阻系數(shù)已經(jīng)被眾多車企所采用。但是，汽車阻風板本身也是會帶來阻力的，因此，在不同的行駛工況下，阻風板本身的高度和寬度是需要進行調節(jié)的，然而，傳統(tǒng)的阻風板多為固定式，其尺寸不能進行調節(jié)，只能保證在某一狀態(tài)下，車輛處于較好的狀態(tài)。因此，開發(fā)可根據(jù)不同行駛工況進行實時尺寸調節(jié)的阻風板是未來研究趨勢，目前可調節(jié)阻風板在實車上應用較少，保時捷911 Turbo S在前保下方安裝了可變前擾流板，該結構降阻效果與前阻風板類似，可根據(jù)不同的行駛工況進行打開和收回，傳統(tǒng)的汽車阻風板設計，需要滿足造型、輕量化、強度剛度等不同專業(yè)的要求，然而各性能專業(yè)之間往往會存在一些沖突，在不久的將來，通過將合適的柔性智能材料應用于阻風板的設計，可有效平衡各專業(yè)性能，保證其綜合性能狀態(tài)處于最佳。

3.3.汽車主動格柵

現(xiàn)在汽車行業(yè)正處于傳統(tǒng)能源與新能源的交替時期，要求傳統(tǒng)能源汽車更加節(jié)油環(huán)保，也要求電動汽車續(xù)駛里程更高。主動進氣格柵可以根據(jù)汽車的實時工況對格柵扇葉角度進行實時調整,既可縮短熱車時間,同時還有效地降低了風阻,降低油耗及排放。目前，主動格柵的調節(jié)原理主要為通過獲取機艙內發(fā)動機水溫、機油溫度、空調系統(tǒng)狀態(tài)、進氣溫度等進行溫度感知后反饋至控制器，進而對主動格柵葉片進行一定開啟或閉合。為進一步簡化主動格柵執(zhí)行機構，可考慮將熱敏材料、磁致伸縮材料等應用于主動格柵的設計，通過智能材料的感知元件對機艙內溫度進行實時感知、通過自調節(jié)響應驅動材料對格柵葉片進行調節(jié)，可有效提升車輛的綜合性能。

4. 小結

智能材料的研究與應用是一門涉及多學科綜合交叉的前沿技術領域，其在車輛空氣動力學優(yōu)化方面有著巨大的優(yōu)勢和潛力，通過智能材料的誘導應變來驅動結構產生所需要的形變，其優(yōu)點在于結構簡單，易于實現(xiàn)，但應用中如需產生較大形變還需投入大量成本或與常規(guī)機構配合使用，這樣一來又會降低其優(yōu)勢特性[6]。相信隨著智能材料技術的不斷發(fā)展成熟，嵌入智能材料將會是未來汽車主動空氣動力學優(yōu)化設計的一大趨勢。

參考文獻

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