輕卡外流場數值模擬及貨箱優化設計

程華揚　薛鐵龍　張代勝

摘 要：對某輕卡進行外流場的數值模擬，通過對模型的流場特性的分析，研究氣動阻力產生的主要原因。將車廂高度和車廂與駕駛艙距離作為兩個影響因子，采用拉丁超立方設計方法和最小二乘法創建二階響應面模型，利用混合整型優化法進行參數優化，優化后與原型設計相比，整車氣動阻力明顯減小，表明該方法能有效地提高整車空氣動力學性能和CFD優化效率。

關鍵詞：輕卡；數值模擬；氣動阻力；性能優化

中圖分類號：U461.1 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2014）03-0024-06

Numerical Simulation on the Exterior Field of a Light Truck and Optimization Design of its Goods Carriage

CHENG Hua-yang ， XUE Tie-long， ZHANG Dai-sheng

（School of Mechanical and Automotive Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009，China）

Abstract： A 3D numerical simulation on the exterior field of a light truck is conducted. By analyzing the flow field characteristics of the model， the main causes of its aerodynamic drag are studied. The height of the goods carriage and the distance between goods carriage and cab are used as two factors of influence. The Optimal Latin hypercube design method and the least squares method are used to create a second-order response surface model. The Multifunction Optimization System Tool method is used for parameter optimization. Compared with the origin design， The aerodynamic drag is reduced obviously. The results indicates that the method can improve the vehicle aerodynamic performance and the optimization efficiency of CFD effectively.

輕卡是指車型分類中的載貨車中最大設計總質量不大于3.5噸的車型，其于上世紀九十年代進入快速發展時期，產量和產品品質不斷提高，出口數量不斷增加，我國現已成為輕型卡車制造大國。但是在產品銷量快速增長的同時，中國輕卡自身的質量問題也逐漸凸顯，產品的技術含量和競爭力不夠充分，其燃油經濟型、發動機性能、制動系統、排放、噪聲問題十分明顯和普遍。而對輕卡的外流場進行優化，既能減小其行駛空氣阻力，提高燃油經濟性，使其在高速行駛時更加穩定，又能減小其在高速行駛時的空氣噪聲，對提升產品質量以及核心競爭力有著重要意義。

目前國內外對于輕型卡車外流場優化的研究極少，一方面是由于對于輕卡外流場優化的不重視，另一方面也是因為輕卡駕駛室流場與尾箱流場相互作用，導致其周圍流場分布十分復雜，研究難度較大。

5 結論

（1）通過對輕卡外流場的數值模擬計算，分析了其外流場特性和氣動阻力產生原因，而貨箱造型對整車氣動阻力影響很大。

（2）將貨箱高度和貨箱與駕駛艙距離定義為設計變量，通過實驗設計選取樣本點建立響應面模型并進行優化，其精度較高，可以替代實際模型的仿真計算分析，提高計算效率。

（3）對于使氣動阻力系數最小的目標來說，貨箱的高度越小越好，在滿足使用設計要求的前提下，應盡可能降低其高度。而對于貨箱與駕駛艙之間的距離，則需要保持一定的間隙。

參考文獻：

[1]宋小文，胡樹根，張偉.圓頂車廂載貨車外流場數值模擬及附加裝置優化設計[J].汽車工程.2007，29（9）：796-799.

[2]楊永柏，王靖宇，胡興軍.皮卡車外流場的數值模擬[J].吉林大學學報（工學版）.2007，37（6）：1236-1241.

[3]熊超強，臧孟炎，范秦寅.低阻力汽車外流場的數值模擬及其誤差分析[J].汽車工程.2012，34（1）： 36-45.

[4]楊勝，張揚軍，涂尚榮，等汽車外部復雜流場計算的湍流模型比較[J].汽車工程.2003，25（4）：322-325.

[5]鐘毅芳，陳柏鴻. 多學科綜合優化設計原理與方法[M].武漢：華中科技大學出版社，2006.

[6]鄧乾旺，文文.基于拉丁超立方抽樣的薄板裝配誤差分析[J].中國機械工程.2012.23（8）： 947-951.

[7]陳立周.穩健設計[M].北京：機械工業出版社，2000.

[8]王海亮，林忠欽，金先龍.基于響應面模型的薄壁構件耐撞性優化設計[J].應用力學學報.2003.20（3）：61-65.

[9]韓明紅，鄧家禔.面向工程的優化算法性能實驗研究[J].中國機械工程.2007，18（12）：1460-1464.endprint

摘 要：對某輕卡進行外流場的數值模擬，通過對模型的流場特性的分析，研究氣動阻力產生的主要原因。將車廂高度和車廂與駕駛艙距離作為兩個影響因子，采用拉丁超立方設計方法和最小二乘法創建二階響應面模型，利用混合整型優化法進行參數優化，優化后與原型設計相比，整車氣動阻力明顯減小，表明該方法能有效地提高整車空氣動力學性能和CFD優化效率。

關鍵詞：輕卡；數值模擬；氣動阻力；性能優化

中圖分類號：U461.1 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2014）03-0024-06

Numerical Simulation on the Exterior Field of a Light Truck and Optimization Design of its Goods Carriage

CHENG Hua-yang ， XUE Tie-long， ZHANG Dai-sheng

（School of Mechanical and Automotive Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009，China）

Abstract： A 3D numerical simulation on the exterior field of a light truck is conducted. By analyzing the flow field characteristics of the model， the main causes of its aerodynamic drag are studied. The height of the goods carriage and the distance between goods carriage and cab are used as two factors of influence. The Optimal Latin hypercube design method and the least squares method are used to create a second-order response surface model. The Multifunction Optimization System Tool method is used for parameter optimization. Compared with the origin design， The aerodynamic drag is reduced obviously. The results indicates that the method can improve the vehicle aerodynamic performance and the optimization efficiency of CFD effectively.

輕卡是指車型分類中的載貨車中最大設計總質量不大于3.5噸的車型，其于上世紀九十年代進入快速發展時期，產量和產品品質不斷提高，出口數量不斷增加，我國現已成為輕型卡車制造大國。但是在產品銷量快速增長的同時，中國輕卡自身的質量問題也逐漸凸顯，產品的技術含量和競爭力不夠充分，其燃油經濟型、發動機性能、制動系統、排放、噪聲問題十分明顯和普遍。而對輕卡的外流場進行優化，既能減小其行駛空氣阻力，提高燃油經濟性，使其在高速行駛時更加穩定，又能減小其在高速行駛時的空氣噪聲，對提升產品質量以及核心競爭力有著重要意義。

目前國內外對于輕型卡車外流場優化的研究極少，一方面是由于對于輕卡外流場優化的不重視，另一方面也是因為輕卡駕駛室流場與尾箱流場相互作用，導致其周圍流場分布十分復雜，研究難度較大。

5 結論

（1）通過對輕卡外流場的數值模擬計算，分析了其外流場特性和氣動阻力產生原因，而貨箱造型對整車氣動阻力影響很大。

（2）將貨箱高度和貨箱與駕駛艙距離定義為設計變量，通過實驗設計選取樣本點建立響應面模型并進行優化，其精度較高，可以替代實際模型的仿真計算分析，提高計算效率。

（3）對于使氣動阻力系數最小的目標來說，貨箱的高度越小越好，在滿足使用設計要求的前提下，應盡可能降低其高度。而對于貨箱與駕駛艙之間的距離，則需要保持一定的間隙。

參考文獻：

[1]宋小文，胡樹根，張偉.圓頂車廂載貨車外流場數值模擬及附加裝置優化設計[J].汽車工程.2007，29（9）：796-799.

[2]楊永柏，王靖宇，胡興軍.皮卡車外流場的數值模擬[J].吉林大學學報（工學版）.2007，37（6）：1236-1241.

[3]熊超強，臧孟炎，范秦寅.低阻力汽車外流場的數值模擬及其誤差分析[J].汽車工程.2012，34（1）： 36-45.

[4]楊勝，張揚軍，涂尚榮，等汽車外部復雜流場計算的湍流模型比較[J].汽車工程.2003，25（4）：322-325.

[5]鐘毅芳，陳柏鴻. 多學科綜合優化設計原理與方法[M].武漢：華中科技大學出版社，2006.

[6]鄧乾旺，文文.基于拉丁超立方抽樣的薄板裝配誤差分析[J].中國機械工程.2012.23（8）： 947-951.

[7]陳立周.穩健設計[M].北京：機械工業出版社，2000.

[8]王海亮，林忠欽，金先龍.基于響應面模型的薄壁構件耐撞性優化設計[J].應用力學學報.2003.20（3）：61-65.

[9]韓明紅，鄧家禔.面向工程的優化算法性能實驗研究[J].中國機械工程.2007，18（12）：1460-1464.endprint

摘 要：對某輕卡進行外流場的數值模擬，通過對模型的流場特性的分析，研究氣動阻力產生的主要原因。將車廂高度和車廂與駕駛艙距離作為兩個影響因子，采用拉丁超立方設計方法和最小二乘法創建二階響應面模型，利用混合整型優化法進行參數優化，優化后與原型設計相比，整車氣動阻力明顯減小，表明該方法能有效地提高整車空氣動力學性能和CFD優化效率。

關鍵詞：輕卡；數值模擬；氣動阻力；性能優化

中圖分類號：U461.1 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2014）03-0024-06

Numerical Simulation on the Exterior Field of a Light Truck and Optimization Design of its Goods Carriage

CHENG Hua-yang ， XUE Tie-long， ZHANG Dai-sheng

（School of Mechanical and Automotive Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009，China）

Abstract： A 3D numerical simulation on the exterior field of a light truck is conducted. By analyzing the flow field characteristics of the model， the main causes of its aerodynamic drag are studied. The height of the goods carriage and the distance between goods carriage and cab are used as two factors of influence. The Optimal Latin hypercube design method and the least squares method are used to create a second-order response surface model. The Multifunction Optimization System Tool method is used for parameter optimization. Compared with the origin design， The aerodynamic drag is reduced obviously. The results indicates that the method can improve the vehicle aerodynamic performance and the optimization efficiency of CFD effectively.

輕卡是指車型分類中的載貨車中最大設計總質量不大于3.5噸的車型，其于上世紀九十年代進入快速發展時期，產量和產品品質不斷提高，出口數量不斷增加，我國現已成為輕型卡車制造大國。但是在產品銷量快速增長的同時，中國輕卡自身的質量問題也逐漸凸顯，產品的技術含量和競爭力不夠充分，其燃油經濟型、發動機性能、制動系統、排放、噪聲問題十分明顯和普遍。而對輕卡的外流場進行優化，既能減小其行駛空氣阻力，提高燃油經濟性，使其在高速行駛時更加穩定，又能減小其在高速行駛時的空氣噪聲，對提升產品質量以及核心競爭力有著重要意義。

目前國內外對于輕型卡車外流場優化的研究極少，一方面是由于對于輕卡外流場優化的不重視，另一方面也是因為輕卡駕駛室流場與尾箱流場相互作用，導致其周圍流場分布十分復雜，研究難度較大。

5 結論

（1）通過對輕卡外流場的數值模擬計算，分析了其外流場特性和氣動阻力產生原因，而貨箱造型對整車氣動阻力影響很大。

（2）將貨箱高度和貨箱與駕駛艙距離定義為設計變量，通過實驗設計選取樣本點建立響應面模型并進行優化，其精度較高，可以替代實際模型的仿真計算分析，提高計算效率。

（3）對于使氣動阻力系數最小的目標來說，貨箱的高度越小越好，在滿足使用設計要求的前提下，應盡可能降低其高度。而對于貨箱與駕駛艙之間的距離，則需要保持一定的間隙。

參考文獻：

[1]宋小文，胡樹根，張偉.圓頂車廂載貨車外流場數值模擬及附加裝置優化設計[J].汽車工程.2007，29（9）：796-799.

[2]楊永柏，王靖宇，胡興軍.皮卡車外流場的數值模擬[J].吉林大學學報（工學版）.2007，37（6）：1236-1241.

[3]熊超強，臧孟炎，范秦寅.低阻力汽車外流場的數值模擬及其誤差分析[J].汽車工程.2012，34（1）： 36-45.

[4]楊勝，張揚軍，涂尚榮，等汽車外部復雜流場計算的湍流模型比較[J].汽車工程.2003，25（4）：322-325.

[5]鐘毅芳，陳柏鴻. 多學科綜合優化設計原理與方法[M].武漢：華中科技大學出版社，2006.

[6]鄧乾旺，文文.基于拉丁超立方抽樣的薄板裝配誤差分析[J].中國機械工程.2012.23（8）： 947-951.

[7]陳立周.穩健設計[M].北京：機械工業出版社，2000.

[8]王海亮，林忠欽，金先龍.基于響應面模型的薄壁構件耐撞性優化設計[J].應用力學學報.2003.20（3）：61-65.

[9]韓明紅，鄧家禔.面向工程的優化算法性能實驗研究[J].中國機械工程.2007，18（12）：1460-1464.endprint