1、 (論文) 大眾甲殼蟲轎車車身的改進設計摘 要由于高速公路的發展，汽車車速的提高對汽車的操縱穩定性、安全性、舒適性提出了越來越高的要求，特別是世界能源危機，石油價格上漲，使改善汽車的燃油經濟性成為汽車技術的重要課題。汽車空氣動力特性對汽車的動力性、經濟性和操縱穩定性有直接的影響。設計空氣動力特性良好的汽車，是提高汽車動力性、經濟性以及高速下穩定性的重要途徑。隨著計算機和計算機技術的迅速發展而蓬勃興起的數值模擬方法為汽車空氣動力性的研究開辟了新的途徑。依據空氣動力學提供的理論依據，可以對車身進行各種風洞實驗，可以方便直觀地了解汽車各部分的空氣動力學狀況，初步計算出整車的氣動阻力系數，為進一步細化

2、設計提供依據，大大縮短整車開發周期，并節省了財力。本文以大眾甲殼蟲轎車的車身為例，在用ug建完車身模型后，通過cfd軟件包gambit和fluent等專業軟件，對其進行模擬的空氣動力學實驗。在理想的狀態下，從實驗中，模擬出各種情況下車身對于空氣流動的不同狀況，得出最優化的改進方案，對大眾甲殼蟲轎車的車身做出最佳的造型改進設計，使該車的車身能夠降低氣動阻力系數，減小空氣阻力，提高最高速度。關鍵詞：車身、數值模擬、cfd、氣動阻力系數the reform and design of the volkswagens beetle modelabstractwith the fast developm

3、ent of highway and the increasing of vehicle velocity, the require of control stability、security and inhabited comfort are higher than before. especially with the crisis of the world energy resource and the increase of the oil price, how to improve the economic character turns to be the most importa

4、nt article. the vehicles aerodynamic character directly affects the dynamic、economic and control stability characters. so designing the vehicle with better aerodynamic is the key to all of the problems above. with the development of computer and computer technology, the numerical simulation provides

5、 a new tool to the aerodynamic research of the vehicle. according to the theory provided by the aerodynamics, it can carry on each kind of wind tunnel experiment to the vehicle body. numerical simulation can conveniently and visually gives the aerodynamic situation of every part, approximately gets

6、the resistance coefficient (cd), and prepares for the next design of the detail, which greatly reduces the period and money of vehicle development.this article takes the volkswagens beetles body as an example, after finishing the model of the vehicle body by ug, through cfd specialized software, for

7、 instance, gambit, fluent and so on, and simulates the wind tunnel experiment. under the ideal condition, from experiment, it simulates the different condition of automobile body with the air transporting in each kind of situation, obtaining the optimized improvement program, and making the best mod

8、eling improvement design to the volkswagens beetles body, enabling the body to reduce the aerodynamic resistance coefficient, the air drag, and enhances the maximum speed.key words: vehicle body, numerical simulation, cfd, resistance coefficient大眾甲殼蟲轎車車身的改進設計*0 引言進入21世紀后，從世界各大汽車博覽會推出的多款新概念車看，各種車的造型更

9、具個性化和特色。車身造型的未來發展趨勢綜合起來主要有以下:1、氣動最優化一部汽車車身造型發展史，從某種意義上說就是一部不斷追求具有最佳氣動造型的歷史人們一直在努力研究能夠減小氣動阻力且氣動穩定性好的車身造型，今后這將仍是未來車造型追求的目標之一，但更主要的工作是在研究氣動行駛穩定性上。2、個性化車身氣動最優化是否會導致未來汽車外形的雷同，從而失去個性化，其實汽車車身造型的發展過程己經揭示了這個問題的答案。在車身造型的歷史發展時期，可能會由于追求氣動造型的優化而使得某一種車型成為一個時期內的主導車型，但決不是唯一、就是同一主導車型，也由于氣動特性非唯一評定指標而形成不同風格，隨著社會發展，社會意

10、識和美學觀念，造型過程中會起到越來越大的作用，現代人對汽車式樣個性化要求也會越來越高。不同層次不同行業、不同種群的審美意識也會大不相同。隨著人類物質文化水平的提高和生活環境的變化以及生活方式的多樣化，作為大眾化商品的轎車無疑將出現各式各樣更新穎更奇特的新車型。3、人性化汽車是人的代行工具，與人在日常生活中息息相關，己形成獨特的汽車文化。“一堆冰冷的鋼鐵”是無法滿足現代人精神和文明需要的。車身造型設計必須以人為本，體現人機協調，使用操作方便、舒適，使汽車適應人的各種生理和心理要求，從而提高工作效率、保障安全、維護健康。未來的車身造型設計將在車身外觀設計、人機工程以及室內環境等方面更加注意人性化的

11、發展。4、虛擬化隨著虛擬現實技術在車身造型中應用，使得造型設計中可采用計算機模擬色彩、紋理、質感、背景、陰影及運用三維視覺效果生成虛擬汽車車身造型并實施漫游。通過仿真設備和虛幻環境的動態模型創造出人能夠感知的虛擬現實，完全替代傳統的實體模型和造型效果圖的平面表述方式，甚至能做到未出實車而能體驗實車的感覺，使車身造型技術發生了實質性的變革。5、全球化20世紀90年代以來，面對市場和用戶對新技術扣新產品日益提高的要求，制造廠商必須在最短的時間內使產品更新換代，這就使得各公司不得不建立合作伙伴關系，以彌補資金和技術力量之不足，通過整合資源、優勢互補以達事半功倍的效果。這樣汽車造型設計就逐步擺脫國家和

12、地域的束縛，日漸走向全球化，從而使汽車這一產品成為世界性商品。從近幾年推出的新車型看，汽車的地域和民族風格也逐漸發生微妙的變化。各個汽車工業發達國家以及各大汽車廠家的傳統風格相互影響，彼此之間呈現出“你中有我，我中有你”的態勢。這種態勢是為了更好地適應不同國家、區域的社會情況、人文文化、人們的生活習慣、宗教儀式、喜好和禁忌等。因此，車身設計成為制約著汽車制造和新車型開發的關鍵。 設計車身時，首先想到的是如何處理各神曲率不同的復雜空間曲面，涉及曲面的建模、編輯、裁剪及平滑連接過渡等問題。過去傳統的設計過程一般分為初步設計與準確技術設好兩個過程，需經歷1:5小油泥模型、等尺寸油泥模型及樣車制造等階

13、段。其中還必須經過多次的模型和實車的風洞阻力試驗，工作極其繁瑣艱辛，周期長達年甚至更長，同時存在開發成本高、產品通用化系列化程度低和積累誤差大等缺點。隨著計算機的技術進步和廣泛使用，在車身設計中現已大量使用功能強的計算機技術，大大縮短整車開發周期，并節省了財力。 圖0-1所示為大眾甲殼蟲轎車的實例,也是這次轎車車身改進設計的例子。圖0-1 大眾甲殼蟲原型車如今，在世界各地仍舊有幾百萬輛甲殼蟲汽車行駛在路上，它們中間幾乎包括了幾十年來甲殼蟲的所有車型。盡管由于各種原因，甲殼蟲汽車登記在冊的數量在逐漸減少，但它仍然是世界上最流行和最受人喜愛的汽車。1974年6月1日上午11點19分，位于沃爾夫斯堡

14、的大眾本廠停止生產甲殼蟲。8月，宣布停產vw1303a。1975年7月，vw1303也停產了。直到1978年1月19日，德國本土生產的最后1輛甲殼蟲汽車在emden下線。到此為止，德國本土共生產了16,255,500輛甲殼蟲。但是在海外的工廠里，甲殼蟲仍然以每天1000余量的速度進行生產。1981年5月15日，第2000萬輛甲殼蟲汽車在大眾汽車公司位于墨西哥的peubla工廠下線。這是汽車工業史上的一個奇跡，同時也標志著一個新世界紀錄的誕生。為了慶祝這一偉大成就，大眾公司推出了“silverbug”珍藏版甲殼蟲，以此獻給那些忠心的追隨者。甲殼蟲能在全球范圍內的成功原因在于其商標式的品質：獨具匠

15、心的設計、精致的加工工藝、完善的裝備和眾所周知的可靠性。除此之外，還有其低廉的價格、較低的維修費用，并且使用多年后仍具有一定的價值，大眾公司很少參與價格戰，但實際上對于他們的汽車品質來說，他們的標價并不昂貴，其“想想還是小的好”的主張更是改變了美國人觀念。這些都可以說是其成功的根源。1998年，大眾公司推出了其全新打造的最新款甲殼蟲汽車。這款車在1998年底特律國際車展上露面時，即受到了公眾和傳媒的極度關注。新甲殼蟲的外形設計仍頗具當年甲殼蟲的風采，同時擁有靚麗的色彩和動感的線條，整體造型還是秉承半個世紀前的款式，但是加入了更多現代化的設計元素，再加上現代化的機械性能，新甲殼蟲無疑將成為21世

16、紀的現代車型。除了外形和儀表盤和從前相近，新甲殼蟲由以前的后輪驅動方式，改為了現在的前輪驅動方式，發動機也由以前的風冷式改成了現在的液冷式，安全設備新添了防抱死制動系統和側面安全氣囊，其他配置還有空調、am/fm收錄機/音響系統、電動反光鏡等。盡管相對于緊湊型微型車來說，甲殼蟲價格略顯昂貴，但它帶給人們的不僅是車型本身，同時還有品牌傳承多年的“甲殼蟲文化”。車身線條無疑是給經典的甲殼蟲設計賦予了現代化的意義。車身的前部、圓形的車頂、車尾、擋泥板、嵌入式圓形車頭和尾燈，所有這些設計都延續了最初甲殼蟲的風格，而尤其得到強調的車窗線條也體現了現代化的影響并展示了年輕人的活力。新甲殼蟲的設計主要放在生

17、活方式上。這種生活樂趣的技術特征體現在阻力系數上(cd=0.38)，這是這款懷舊車型可能達到的最佳效果。車型的擋泥板和車尾是車型的關鍵，也是車型魅力所在，但是在風洞中仍然是一個很大的阻礙，不過這個問題已經得到了緩解。老的甲殼蟲車阻力系數為0.49，這比當時的技術先進了60年。全鍍鋅的車身保證了面板可以12年不被腐蝕。車身非常堅固，不僅保證車型在碰撞中不會有大的損傷，還保證了整體的舒適性和質量。車門、引擎蓋、車窗以及天窗等在車停在斜坡上時都要同時起作用，這就需要一定的扭力剛度做基礎。即使在一些極端情況下，如高速顛簸或在極其惡劣的路況下駕駛，車型的扭力剛度就發揮出了作用，使傳動系統保持穩定并防止出

18、現咯吱聲或震動。新甲殼蟲的鋼板車身及其塑料雨刮器和保險杠都采用相同的流程進行油漆，這可以保證顏色的完全一致。雨刮器和保險杠都是旋上的，這與最初的甲殼蟲一樣，這樣維修起來就比較方便。而且雨刮器和保險杠都是由一種特殊材料做成的，在受到碰撞時可以反彈回來，因此在受到輕的碰撞時不會被損壞。在美國5英里碰撞測試中，新甲殼蟲擊敗了所有的競爭者。1 汽車空氣動力學理論概述1.1 空氣動力學基本原理汽車空氣動力學是以空氣動力學為基本理論的一門科學，他借助空氣動力學的理論來分析汽車周圍的流場，研究作用在汽車上的氣動力和力矩，并運用空氣動力學研究的成果來改善汽車的造型，提高汽車的性能。因而有必要探討空氣動力學的基

19、本原理。1.1.1 理想流體和不可壓縮流體流體就是可以流動的物質，他和自然界的所有物質一樣是有分子構成。而由于分子之間的吸引和不規則運動，流體在流動狀態下呈現出粘性，實際上所有的流體都具有粘性。但是在很多情況下粘性對流體的粘性影響不大，可以忽略，為了討論問題的簡單起見而不考慮流體的粘性，這種假想不具有粘性的流體我們稱之為理想流體。例如水和空氣繞物體流動時，若速度不太大，溫度變化很小時，可以作為理想流體處理。另外，由于流體有分子構成，分子和分子間有縫隙存在，故他們又是可壓縮的。當壓強和溫度變化時，它們的體積也要發生變化，密度也隨之變化。而這種變化勢必使問題變得復雜，所以許多情況下，當壓強和溫度變

20、化不大時，往往忽略其變化，作為不可壓縮的流體來處理，不可壓縮的流體密度為常數。1.1.2 定常流、非定常流流體力學中把充滿流動流體的空間叫做流場，若流場中任何一點的流動參數均不隨時間變化，則這種流動稱為定常流，否則為非定常流。在定常流的流場中，流動參數只是空間坐標的函數，和時間無關。例如在風洞中進行的氣動力試驗，就是一個定常流的流場。由于定常流參數與時間無關，所以在流動的數值模擬和試驗中一般將有關的問題簡化為定常流來處理。1.1.3 流體的連續性方程和伯努利方程連續性方程和伯努利方程是流體力學中的基本方程，它們分別表示兩過流斷面上的流動參數之間的關系和能量轉換的關系。(1) 連續性方程如圖 (

21、1-1)所示，當流體在變截面中流動時，如果是定常流，則管道的任意截面1-2之間的流涕質量不變，即: (1.1)式中:、 1、2 截面上的平均密度v1 、v2 1、2 截面上的平均流速a1、a2 1、2 截面上的截面積c1 常數若流體是不可壓縮的則=常數，式(1.1)可以表示為: (1.2)式中: c2 常數圖1-1 流體在變截面管中的流動(2) 伯努利方程流體力學中將與流體的質量成正比的力稱為質量力或者是體積力。重力場中就稱為質量力，當忽略質量力的力項不可壓縮流體作定常流動時，流體流動的速度和壓強也存在一定的關系，可用伯努利方程來描述: (1.3)式中:p 流體靜壓力v 流體流動的速度po 總

22、壓若將該方程用到圖(1-1)所示的兩個截面上，可表示為: (1.4)式中 p為流體的靜壓力，為流體的動壓力，式(1.4)表征了:當理想不可壓縮流體作定常流動并忽略質量力時，在流動過程中總壓即靜壓和動壓之和保持不變。同時p也是單位體積流體所具有的壓力能，是單位體積流體的動能，兩項之和為單位體積流體的總機械能，因而式(1.4)也表征了:忽略質量力的理想不可壓縮流體作定常流動時，在流場中任一點上單位體積流體總機械能為常數，即能量是守恒的。由式(1.4)可知:在流速高動能大的地方，壓力能必然減小，反之，在流速低動能小的地方，壓力能必然增大。1.1.4 邊界層及其分離現象當立體粘性很小流速很大時，慣性力

23、比粘性力大得多，這時雷諾數（re=慣性力/粘性力）很大，處理這類問題時往往忽略粘性力而只考慮慣性力，使問題得到簡化。但當流體以較大的雷諾數流經物體時，在物體的壁面附近產生一個速度變化很快的薄層，并沿壁面的法線方向很快達到來流速度的數量級，在這種情況下，雖然流體的粘性很小，在壁面法向方向上卻存在很大的速度梯度，從而表現出很大的粘性剪切力，并和慣性力具有相同的數量級，因此必須同時考慮粘性力和慣性力。在re 1的情況下，流體繞物體時，在物體壁面附近，受流體粘性影響顯著的薄層，成為邊界層，也叫附面層。由前述可知，當粘性不可壓縮流體過平板時，在邊界層的邊界上沿x方向的速度v不發生變化，由伯努里方程可知其

24、壓強也不變化。但當粘性流體流經曲面物體時，邊界層上沿x方向的速度v要發生變化，故壓強也是變化的，邊界層也隨著變化，這將對邊界層內部的流動產生重要的影響。1.2 作用在汽車上的作用力和力矩汽車行駛時除了受到來自地面的力以外，還受到它周圍氣流的氣動力作用，氣流的作用主要是產生升力和阻力當有側風存在時，來流速度和汽車對稱平面之間的橫擺角(yaw angle) ，由于橫擺角的存在，在汽車上還作用一個側向力。三個氣動力的合力在汽車的作用點稱為風壓中心（center of air pressure），記作c.p。將汽車空氣動力坐標系的原點取為車輛縱向對稱面與地面的交線上，前后軸中線的交點處，將氣動力的合力

25、在坐標系上分解為三個力和三個力矩，如圖1-2所示。三個力和三個力矩統稱為六分力。圖1-2 汽車行駛時受到的力和力矩圖1-2中各個參數的物理意義是：合成氣流相對速度；橫擺角；車身縱向氣動阻力（x軸方向）；車身側向氣動阻力（y軸方向）；車身垂直向氣動升力（z軸方向）；縱傾力矩（繞y軸）；側傾力矩（繞x軸）；橫擺力矩（繞z軸）。 為評價汽車的空氣動力性能，引入氣動力系數的概念，如升力系數、阻力系數等。各規定系數見表1-1。氣動力系數是一個無量綱數，它代表氣動力與氣流能量之比。其中的為空氣密度，為氣流相對汽車的速度，為汽車的特征長度，為軸距，為汽車的迎風投影面積，包括車身、輪發動機及底盤等零部件的前視

26、投影。表1-1 氣動力和力矩及其系數力和力矩系數橫擺角時車身縱向作用的氣動阻力阻力系數垂直于路面的升力升力系數垂直于車身對稱面（x,y）的側向力側向力系數繞x 軸的側傾力矩側傾力矩系數（a特征長度，下同）繞y 軸的縱傾力矩縱傾力矩系數繞z 軸的橫擺力矩橫擺力矩系數從表中可以看出其空氣阻力、升力等與來流速度的平方成正比，在車身投影面積和自身重力一定的情況下，降低阻力系數提高升力系數對汽車的性能和行駛穩定性是非常關鍵的。在汽車的氣動六分力中，空氣阻力的構成和影響因素最為復雜，對汽車的行駛性能的影響較為明顯，是汽車空氣動力學的研究重點。本文中，對于甲殼蟲的改進，最重要的就是減小車身的氣動阻力系數。1

27、.2.1 氣動阻力氣動阻力d是與汽車運動方向相反的空氣力。氣動阻力d取決于正投影面積a和氣動阻力系數cd，而汽車外形的氣動力特性由氣動阻力系數cd來描述。通常正面投影面積取決于汽車的外形尺寸，這是由設計需要決定的，因此減小氣動阻力的因素就集中在減小氣動阻力系數上。而汽車的空氣阻力由以下五部分組成:(1)形狀阻力，它又稱表面壓差阻力，是由汽車前部的正壓力和車身后部的負壓力的壓力差所產生的，它占氣動阻力的60%左右，是氣動阻力的主要部分。(2)摩擦阻力，它是由于空氣的粘滯性在車身表面所產生的摩擦力，其數值取決于車身表面的曲率變化程度和配飾件的安裝方式。(3)誘導阻力，它是氣動升力所產生的縱向水平分

28、力，一般占氣動阻力的5%-7%之間。(4)干擾阻力，它又稱附件阻力，是由暴露在汽車外部的各種附件引起的氣流相互干擾而形成的阻力。這些附件包括后視鏡、門把手、雨刷、照明燈、保險杠、防撞條等。它約占氣動阻力的15%左右。(5)內部阻力，它又稱內循環阻力，是由冷卻發動機等的氣流和車內通風其氣流而形成的阻力，約占氣動阻力的10%-13%。為了更科學地衡量和評價汽車的氣動阻力特性，常采用氣動阻力系數來作為評價指標，從而使得氣動阻力系數目前成為衡量汽車氣動阻力特性的一個重要參數。理論上，它只與汽車外形形狀有關，與形狀大小和來流速度無關，是一個無量綱數。這樣就為做模型風洞實驗提供了理論基礎。它的定義即為氣動

29、阻力與氣流能量之比：cd= （1.5）不同車型的氣動阻力系數，大致范圍如下：車輛種類氣動阻力系數賽車和運動型跑車cd=0.200.30轎車cd=0.280.42輕型客車和公共汽車cd=0.400.80載貨汽車cd=0.551.101.2.2 氣動升力及縱傾力矩由于汽車車身上部和下部氣流流速不同，使車身上部和下部形成壓力差，從而產生縱傾力矩。在側風作用下的輕型高速汽車，車身前不可能有較大的局部升力，汽車進風口處的冷卻氣流會使流過車身的氣流發生明顯的變化，導致對升力的影響。作用在汽車上的空氣，有35%-40%在車身上部流過，10%-15%在下面流過，25%在側面流過，所以減小車身上下的壓力差，使大

30、量氣流流經側面，可以減小升力。使底板下部流線型化，壓低發動機罩前端，減緩前風窗傾角，都可以減小前端升力。1.2.3 側向力及橫擺力矩汽車由于受到側向力的作用而影響其行駛的直進性。為了保證汽車的行駛穩定性，在減小側傾力的同時，還應使側傾力的作用點即風壓中心移向汽車重心之后。而風壓中心后移，又有實側傾力增大的趨勢，所以用尾翼使風壓中心后移，還應注意到其承受的側傾力是很大的。側傾力和橫擺力矩都影響汽車的行駛穩定性。在非對稱氣流中，橫擺力矩有使汽車繞z軸轉動的趨勢，如果所產生的橫擺力矩有減小橫擺角的作用，汽車具有穩定的氣動功能。 1.2.4 側傾力矩側傾力矩對汽車左右車輪的重量分配有較大的影響，并且直

31、接影響到汽車的側傾角。側傾力矩主要是由車身側面形狀決定的，一般側面流線型好的汽車，側傾力矩就相對的小。汽車的高度和寬度對側傾力矩的影響較大，一般低而寬的汽車側傾力矩系數比高而狹長的汽車小。應盡量的使風壓中心接近側傾軸線。1.3 車身表面壓力分布汽車表面壓力分布對車內、外的塵土、采暖通風以及空調系統、發動機散熱器的冷卻效果、雨中行車的密封性、風噪音等都有密切的關系。車身表面壓力分布中的箭頭指向車身內部為正，指向車身外部為負，如圖2-3。車身表面的壓力系數用表示： （1.6）式中：車身表面壓力 大氣壓力車身表面壓力分布對駕駛室通風、空調系統、發動機冷卻、風噪聲等也有密切的關系。通常可靠根據車身表面

32、的壓力分布狀況確定出與駕駛室通風及發動機冷卻的空氣流的進、出口的位置，并推算其通風量，以改善通風和冷卻性能。圖1-3 車身表面壓力分布圖2 汽車空氣動力學的研究方法2.1 汽車空氣動力學傳統的研究方法2.1.1 風洞試驗實驗的基本方法風洞試驗是傳統的汽車空氣動力學研究的重要方法和手段，其基本過程可歸納為:（1）將完成初期造型的多個縮尺模型方案，按空氣動力學的基本要求進行初期風洞試驗，以用于選型；將選定的模型進行空氣動力學修改后再進行風洞試驗，如此反復多次優選直至定型。（2）按定型方案制成1：1模型，并裝上刮水器、后視鏡等各種附件后再進行風洞試驗予以改進。（3）按改進后的模型制作樣車，并完成最終

33、的整車風洞試驗。2.1.2 風洞試驗優缺點風洞試驗雖能較好地反映流場的實際情況但風洞建設投資大、試驗周期長，且存在堵塞效應、地面效應與車輪旋轉效應模擬等問題，不能詳細了解車輛外部流速、壓力等參數的分布情況。所以僅采用風洞試驗和路面測試技術研究汽車空氣動力學，己不能滿足更快速開發出更經濟、安全、舒適的汽車的需要。2.1.3 風洞試驗研究的地位汽車風洞試驗，是汽車空氣動力學研究的重要手段，通過風洞試驗可以準確的反應汽車行駛狀態時的空氣動力特性數據。世界上許多國家不惜花費巨資建成了大量的全尺寸、全天候、實車環境風洞及模型風洞，以其作為開發高性能汽車的重要手段，目前世界汽車專用風洞不下千座，但許多國家

34、仍感到試驗設備和能力不足，還在不斷地建設新風洞，與此同時，汽車風洞試驗技術也在不斷完善。2.2 汽車空氣動力學的現代研究方法計算汽車空氣動力學(汽車流場的數值模擬)是計算機流體力學(cfd)在汽車工程領域的具體表現。2.2.1 cfd的概況計算流體力學隨著計算機以及計算機技術的發展而發展，并逐步形成一門獨立學科。計算流體力學的興起促進了實驗研究和理論分析方法的發展，為簡化流動模型的建立提供了更多的依據，使很多研究方法得到發展和完善。更重要的是使計算流體力學采用獨特的研究方法(數值模擬法)研究流體運動的基本物理特性。這種方法的特點如下:(1)給出流體運動的離散解，而不是解析解；(2)它的發展與計

35、算機技術的發展息息相關。這是因為可能模擬的流體運動的復雜程度、解決問題的廣度和所能模擬的物理長度以及所給出的解的精度都與計算機的速度、內存以及圖形輸出的能力直接相關；(3)若物理問題的數學提法(包括數學方程以及相應的邊界條件)都是正確的，這可以在較廣泛的流動參數(雷諾數、物體運動速度等)范圍內研究流體力學，且能給出流場參數的定量結果。計算機流體力學在汽車工程上的運用始于20世紀60年代。今天，cfd技術己在廣泛運用汽車工程領域。2.2.2 cfd進行數值模擬的優點1)數值模擬方法快.它不需要設計模型和加工模型的周期。對于已有的通用計算程序，只改變初始數據，就可隨時得到流場特性及效果，從而節省時

36、間；2)數值模擬方法可節省大型實驗而花費的巨大財力、人力和物力。而且可在新車設計初期的造型階段進行空氣動力性能及其它有關性能預測，為選型及造型修改提供依據。從而可以較早地得到較理想的產品，并較早地避免產品缺陷。這對于新型車搶占市場是極其重要的；3)數值模擬方法應用范圍廣，不像實驗那樣受風洞邊界條件的影響和湍流、風速、風向、雷諾數等的影響和限制。還可避免風洞試驗時的支架干擾、模型彈性變形等技術問題以及道路試驗條件、交通狀況的影響；4)數值模擬機動性大。可以根據計算機終端的設置而隨時改變更換算題，試驗方法卻要受到準備周期的制約；5)數值模擬便于解決許多實際問題，而理論分析只能解決比較簡單的問題；6

37、)數值模擬可以計算用試驗方法難以測量的場合，如細微湍流結構。它還可以研究不可能進行試驗的場合，如汽車同向近距離行駛及對開時的氣動干擾問題。2.2.3 數值方法所存在的缺陷及其應用地位數值模擬也存在一些缺點，如因沒有完全搞清楚湍流等流態特性，對有些問題還沒有普遍適用的數學模型。在數值計算上收斂性和精度有待改進。另外，rans(regnolds averaged naviel stokes)代碼中包含了經驗的輸人參數、截斷誤差、網絡相關近似、湍流模型等因素，數值模擬結果與試驗結果存在著差異。因此，數值計算不能完全替代試驗。試驗結果對于校正cfd方法和檢驗cfd結果是非常必要的2.2.4 國內外cf

38、d的發展狀況國外汽車公司為了縮短轎車開發周期，投入了大量的人力和物力進行計算機空氣動力學軟件的開發。國內在這方面的起步較晚，但也作了不少工作，但還沒有完整的商業軟件。下面介紹幾種軟件:(1) star-cd該軟件是由福特公司開發的。它的計算結果表明，在車身底部、車身前部和地板上的中心線壓力分布對所有車型的試驗結果很相似。尾流結構對許多車型也較符合。阻力，升力和俯仰力矩趨于試驗測量值。然而，盡管計算網格分布得很好，但計算的c。值高于測量值。它也沒有擺脫cfd對折背式車型的尾燈處分離和車頂再附著模擬不真實的弱點。(2) fidap以折背式車型的無車輪模型為例來介紹有關fidap的情況。幾何尺寸為模

39、型的cad數據。用icem-cfd網格生成程序的mulcad模塊來生成三種不同的8節點六面體網格a,b,c。網格a是汽車表面附近相對簡單的局部分布，單元數為198 742個，節點數為210468個。用icem-cfd軟件包中的mucad模塊生成網格需要三天。網格b是網格a的簡單細化，它在網格人的基礎上細化要花費3h。網格c則是更為復雜的分布，生成網格需要六天(所用計算機為64m內存sgiindigo工作站)。fidap采用兩層有限元模型的標準a-e模型。下面是關于不同的網格在不同平臺上的計算情況:采用網格a在ibmrs6000/ 560上計算占最小內存為150m，迭代數為193，每次迭代最少c

40、pu為25 min。采用網格b在計算機ibm rs6000 /590上占最小內存為315m，迭代數為300，每次迭代最少為25rain；采用網格c在計算機cray1900上占最小內存為600m，迭代數為350，每次迭代最少為10min。計算結果：網格c比網格a,b 能更好地模擬整車的氣流分離情祝。但它的湍流模型仍沒有完全捕捉到主渦流對。另外還有aea technology的cfx-4和通用公司的gmtec等軟件。其中cfx-4軟件采用多種湍流模型(k-湍流模型、低雷諾數k-湍流模型、rng k-湍流模型)，它能成功地模擬汽車后視鏡、車輪輪罩、車身底部的真實流態。它還有完整的前處理和后處理模塊，

41、是一個比較成功的cfd商業性軟件。國內盡管在這方面起步較晚，但也有不少人在這方面進行了探索，國內有人在計算汽車空氣動力學方面的研究中，用有限差分法、有限元法、有限體積法在二維和三維模型上進行了摸索。以及一汽集團公司和氣動中心計算所合作，共同開發轎車氣動力計算軟件，據有關文獻介紹，該軟件基本可以應用于實際中。汽車空氣動力學發展到今天己取得了很大成就，但無論從理論還是試驗及數值模擬方面都存在著難題，如轉換點的判斷、氣流分離的判斷、附面層的處理、發動機冷卻系的阻力測量、湍流模型的選取及研究等難題。而且這幾方面問題中的任一項的解決都有助于其他問題的解決。只有將汽車空氣動力學的理論、試驗和數值模擬這幾方

42、面結合起來，才能推動汽車空氣動學的進一步發展。計算機模擬仿真的興起促進了汽車空氣動力學研究的發展，改變了汽車空氣動力學性能設計和評價的狀況，大量的模擬仿真結果己有效的應用于汽車設計中我國轎車工業正在蓬勃發展，制約轎車自主開發的主要“瓶頸”之一就在于車身工業中的車身造型和空氣動力學研究。盡管我國在這方面的研究起步較晚，但計算機模擬仿真為我們提供了一個在該領域快速趕上發達國家的研究水平的新的契機。3 現代轎車車身造型設計概述3.1 車身造型的發展過程從汽車外形演變的歷史，可以分成以下8個階段：馬車型、t 型車、廂型、流線型、船型、魚型、楔型、子彈頭型。1885 年，德國工程師卡爾本茨 (1844-

43、1929)在曼海姆制造成一輛裝有0.85馬力汽油機的三輪車。德國另一位工程師戈特利布戴姆勒(1834-1900)也同時造出了一輛用1.1匹馬力汽油發動機作動力的四輪汽車，這便是現代意義上的汽車。他們倆被公認為以內燃機為動力的現代汽車的發明者，1886年1月29日被公認為是現代汽車的誕辰日。由于當時工業基礎的限制，世界第一輛汽車十分簡陋，只能把它看作是脫離了馬的“馬車”。美國農民出身的亨利福特 (1863-1947)， 1896年在底特律 (detroit)家中的棚屋內完成了他的第一部汽車2缸4輪車，并于深夜試車成功，造出第一輛福特車。1908 年，福特公司開始生產一種“t”型汽車，并于 190

44、8年10月1日推出，很快就令千百萬美國人著迷。 從某種意義上說，福特t 型車不僅僅是一個鋼鐵、橡膠、木材和玻璃的組合體，與同期誕生的其它事物相比，它可以稱得上是一種傳奇，一種代表了北美自由開放的的社會文化。在德國大眾公司的 “甲克蟲”誕生之前，福特 t 型車是真正意義上的“大眾車”。對于世界上任何一件既成品來說，賦予探險精神的美利堅民族都試圖對其進行改良，汽車這個富有人類智慧和技術含量結晶的工業品當然也不例外。1903年由福特公司推出的一款型車，我們可以明顯地看到它的車頭部分被設計成了一個傾斜的斜面，這斜面的面積雖然很小，但當時速達到50公里時，迎面的風便向斜上方吹去。這是人類最早利用空氣動力

45、學原理設計車身造型的例子，現在的汽車設計，都逃不開這個形式。雖然只是一個很小的平面，但無論過去還是現在，它帶給我們的東西卻是如此之多。馬車型和 t 型車很難抵擋風雨的侵襲，福特汽車公司在1915年生產出一種新型的福特t型車，這種車的車室部分很象一只大箱子，并裝有門和窗，人們把這類車稱為“箱型汽車”。美國通用汽車公司的雪佛萊部看準用戶多樣化的要求，于1928年制造出在散熱器罩、發動機通風口和輪罩上增加豪華裝飾的汽車，從而博得了用戶的歡迎。 1933 年德國的獨裁者希特勒要求波爾舍（18751951）設計一種大眾化的汽車。波爾舍博士經過長期觀察，他發現一種名叫甲殼蟲的小動物，不但能在地上爬也能在空

46、中飛，其形狀空氣阻力很小。波爾舍博士把甲殼蟲的自然美如實地、天才地運用到車身造型設計上。甲殼蟲車身迎風阻力最小，空氣動力學的原理在這種車身上得到了很好的應用，也為以后在車身外形設計上運用“仿生學”開創了先河。波爾舍最大限度地發揮了甲殼蟲外形的長處，成為同類車中之王，甲殼蟲也成為該車的代名詞。美國福特公司經過幾年的努力，于1949年推出具有歷史意義的新型福特 v8 型汽車。 它一改傳統的造型設計方法，把前翼子板和發動機罩、后翼子板和行李艙罩溶于一體，大燈和散熱器罩形成一個整體，車身兩側形成一個平滑的面，車室位于車的中部，整個車身造型仿如幾個長方體的幾何形體拼成一個船形。 所以人們把這類車稱為“船

47、型汽車”。 最初的魚型車是美國 1952 年生產的別克牌小客車。 1964 年美國的克萊斯勒順風牌和 1965 年的福特野馬牌都采用了魚型造型。自順風牌以后，世界各國逐漸生產魚型汽車。 魚型汽車存在的缺點是：由于魚型車后窗玻璃傾斜太甚，面積增加兩倍，強度下降，產生結構上的缺陷。魚型車還有一個潛在的重大缺點就是對橫風的不穩定性。魚型車發動機前置，車身重心相對前移，一般來講橫風的風壓中心和車身重心接近。但由于魚型車的造型關系，在高速時會產生一種升力，使車輪附著力減小，從而抵擋不住橫風的吹襲，發生偏離的危險。 魚型車的這一缺點，人們想了許多方法加以克服，例如人們在魚型車的尾部安上一只翹翹的“鴨尾”，

48、以克服一部分揚力，這便是“魚型鴨尾”式車型。為了從根本上解決魚型車的升力問題，人們設想了種種方案，最后終于找到了一種模型的設計方法。就是將車身整體向前下方傾斜，車身后部像刀切一樣平直，這種造型能有效地克服升力。1963年司蒂倍阿本提第一次設計了楔型小客車。“阿本提”誕生于船型車盛行的時代，與通常的外形形成尖銳的對立，因此，未能起到引導車身外形向前發展的作用，直到 1966 年才被奧茲莫比爾托羅納多所繼承。楔型車在高速汽車設計方面已接近于理想的造型。現在世界各大汽車生產國都已生產出帶有楔型效果的小客車，這些汽車的外形清爽利落、簡潔大方，具有現代氣息，給人以美的享受。未來小客車的造型必然是在楔型車

49、的基礎上加以改進。例如，把前窗玻璃和發動機罩進一步前傾，尾部去掉階梯狀，成為真正的模型。車窗玻璃和車身側面齊平，形成一個平面，后視鏡等將通過合理的造型，以取得最低的風阻力，或者由車內的電視屏幕來代替。總之，未來的小客車的造型將更為平滑、流暢。 汽車外形發展到楔型以后，升力問題基本上得到了圓滿的解決。但人類追求至善至美的心態是永不滿足的，當轎車的升力問題基本解決以后，人們又從改變轎車的基本概念上做起了文章，于是，一種新型的轎車 多用途轎車（ multi purpose vehicle 即 mpv ，或 all purpose vehicel 即 apv ，我國稱之為“子彈頭型”）問世了。 進入

50、80 年代以后，克萊斯勒汽車公司道奇分部和順風分部先后推出了“商隊”（ caravan ）和“航海家”（ voyager ）兩種新型汽車。盡管這兩種汽車仍以汽車外型為原型，但其車身造型卻一改轎車傳統的二廂或三廂式結構概念，在小型客車（面包車）車型概念的基礎上進一步延伸發展，使之成為既有轎車的造型風格、操縱性能和乘坐感覺等特性，又具小客車的多乘客和大空間的優點，是集商務、家用和旅游休閑等功能為一體的多用途車。這種車甫一問世，馬上引起消費者的極大興趣，銷售形勢非常樂觀。 后來，為了商業競爭的需要，通用、福特、豐田、 雷諾 、戴姆勒奔馳等汽車公司先后推出了自己的 mpv ，使這種類型的汽車形成了一股

51、強大的勢力，占據了一定的市場份額。由于這種車的造型酷似子彈頭，因此，在我國，人們將其俗稱為“子彈頭型” 汽車，而在國外，消費者則將其稱為“蛋形造型”。mpv 不僅在外形設計上集流線型與楔型的優點于一身，而且在制造加工上 引進了當今航空航天的先進技術。兩種不同風格的交叉結合，表現出流線型從以往的短曲線發展成為了長弧曲線。這種造型表現出未來主義的藝術傾向：線條流暢、色調溫和、動感性強、具有鮮明的時代氣息和時尚風格。由于 mpv 的前風擋玻璃傾斜度很大，外形圓滑，因此風阻系數很小（小于0.3），非常有利于車速的提高。 綜觀汽車造型設計的發展，可以看出它一直在圍繞著“高速、安全、舒適地行駛”這一主題進

52、行發展的。一部汽車造型設計的發展史，就是人類追求汽車性能、不斷提高的奮斗史。無論是 1886 年開始的馬型車、1915 年“ford-t”以后的箱型車、1934 年“克萊斯勒氣流”以后的甲殼蟲型車、1949 年“ford-v 8”以后的船型車，還是1952 年“別克”以后的魚型車、1963 年“司蒂倍克阿本提” 以后的楔型車、80年代克萊斯勒以后的子彈頭型車，每個時期都在不斷開拓著汽車造型設計的新紀元，都在盡力滿足機械工程學和人體工程學的前提下最大限度地減小空氣阻力和升力的影響，從而使汽車的性能得以提高。與此同時，作為判斷汽車美學價值的基準造型美的觀念，也在人類的美學意識中扎下了根。3.1.1

53、 大眾甲殼蟲轎車的車身造型甲殼蟲車身造型為流線型，給人以平滑舒暢的感覺，車身兩側已逐步形成完整曲面，氣動阻力大為降低。這種車的造型已完全改變了廂型時期的方正基調，汽車外形圓潤飽滿，型線舒展流暢。對此后流線型車的設計產生了深遠的影響。其迎風面積a（m2）為2.195；氣動阻力系數cd為0.38。雖然甲殼蟲型車的氣動阻力大為降低，但甲殼蟲型車橫風穩定性不好，同時由于其車身彎度較大，導致氣動升力較大。因此,在保證乘坐舒適性的同時,應如何改進甲殼蟲車身外形上的彎度，從而減少氣動升力和降低氣動阻力系數是目前主要的改進方向。3.2 現代轎車車身造型設計的影響因素以下將以汽車為載體，簡單介紹工業產品曲面造型

54、設計的影響因素。汽車產品由于其本身的功能特點和制造技術局限性，它的造型設計的限制條件非常苛刻，國家法律法規、汽車品牌的家族血緣傳承關系以及美學因素，這些都是制約車身曲面造型設計的因素，總的來說，車身曲面設計的影響因素主要分為硬性的工藝制造技術因素和非技術因素兩大方面。其中對車身曲面造型有所影響的技術因素包括了總布置、車身工程、空氣動力學、人機工程學等;而非技術因素則非常復雜，大致包括有品牌因素、市場因素、車輛制造國的地域文化特點以及設計師的美學觀念等無法量化的不可預知的諸多因素，以下我們將對車身曲面的兩大方面因素做一簡單的概述。由于這些因素單獨拿出來進行分析都可以成為獨立的專業分支，所以這里只

55、做一個簡單的概述。3.2.1 轎車動力總成布置方式對車身造型的影響一部轎車的布局元素包括發動機、傳動系統、座艙、行李艙、排氣系統、懸掛系統、油箱、備胎等，其中前三者:發動機、傳動系統和座艙是決定布局的三要素，按這“三要素”可將布局方式分為前置引擎前驅(ff)、前置引擎后驅(fr)、中置引擎(mr)及后置引擎(rr)四大類型，確定布局類型后，其它部件可采用見縫插針的原則。一個優秀的布局方案應該在使各部件工作良好的基礎上滿足應有的使用功能(如載人、運貨、越野等)。3.2.2 轎車的布局方式與車身的曲面造型設計的關系由于轎車最大的功能特點就在于其代步工具的運動性和運輸性，加之轎車相對于人體尺寸的體量

56、感，這使得轎車具有更強的展示功能，這一特點是其它工業產品所不具備的或不作為主要功能點來體現的。基于此，車身的造型設計成為了汽車制造流程一個非常重要的節點，而推敲其造型曲面特征則是車身造型設計中一個核心環節，但是，我們之所以在上文花大量篇幅，就是要說明車身造型設計的形面都是受車體內部的功能結構(主要是動力系統)所制約的。雖然隨著制造水平的提高，工藝流程的改進，但在設計階段的工業產品的外觀造型在很大程度上還是受到其功能結構制約，汽車也不例外。以上簡單介紹了轎車的動力布置方式，它們與車身曲面造型設計的關系可以這樣理解，由于現代汽車的設計基本是在工程總布置確定之后，造型設計部門按照工程部門制定的總布置

57、圖來進行車身形態的設計，當然，具體到不同的設計項目，造型設計與工程設計的順序會有所調整，但作為大批量生產的量產車而言，除非是開發一個全新概念的車型，差不多都是基于一個共用平臺進行通用產品的再次整合，車身造型的造型設計就是在預先設定好的體系框架內通過一定的造型語言來傳達隱藏在產品本身背后的技術、品牌、家族血統、風格特征。一輛汽車的心臟一一動力系統放置方式q確定后，汽車的最初基本造型輪廓就可以確定下來，比方說ff方式，發動機放置在車體前部，那么設計師就只能在預留出發動機、傳動機構等內部結構空間的前提下進行造型。總之，一句話，在實際汽車制造過程中，車身造型的設計是基于已有結構部件的多重限制之下的一種創造性工作。3.2.3 未來可能出現的幾種方式動力布置方式未來的汽車造型將會隨著核心技術的提升而發生較大的改變，目前由于技術、經濟等多種因素的制約，絕大多數的汽車都還是要以汽油作為動力，無論車輛造型怎樣改變，其設計都必