基于試驗設計的某MPV整車外氣動特性優化

彭婧+李小梅+張光亞+王偉

摘要： 以某型多用途車（MultiPurpose Vehicles，MPV）為研究對象，對整車外氣動特性優化模型進行參數化數值仿真.基于結合試驗設計方法和優化算法，與原模型相比，最終優化模型的仿真結果可使目標車型風阻因數降低4.69%.另外，基于試驗設計分析后視鏡造型對整車外氣動特性的影響，后視鏡的優化仿真結果可使整車風阻因數降低1.04%.

關鍵詞： 多用途車； 風阻系數； 樣本設計； 網格變形； 近似模擬； 后視鏡設計

中圖分類號： U461.1文獻標志碼： B

Abstract： Taking a type of MultiPurpose Vehicles （MPV） as the research object， the parametric numerical simulation is performed on an aerodynamic characteristics optimization model. Based on design of experiment method and optimization algorithm， compared with the base model， the drag factor of the final optimization model is reduced by 4.69%. In addition， the aerodynamic influence of rearview mirror on the aerodynamic characteristics of whole vehicle is studied on the basis of design of experiment method， and the optimization simulation results of rearview mirror indicate that the drag factor of whole vehicle is reduced by 1.04%.

Key words： multipurpose vehicle； drag coefficient； sample design； mesh morph； approximate simulation； rearview mirror design

0引言

空氣動力學指標是汽車性能最重要的參數之一，其對汽車的動力性、經濟性、操縱穩定性等有極其重要的影響.在汽車運行時，空氣會對車身產生氣動阻力，并且阻力大小與汽車運行速度的平方成正比.CFD技術的發展使得仿真手段可部分替代風洞試驗，可通過CFD技術快速評價汽車外氣動特性，從而減少風洞試驗的次數.[1]將CFD技術與優化設計相結合，能大大提高汽車外氣動造型優化效率，對汽車的早期設計很有幫助.

以某型多用途車（MultiPurpose Vehicle， MPV）為研究對象，基于整車外氣動特性數值仿真模型，結合試驗設計及優化算法分別對整車參數及后視鏡參數展開優化研究.首先選取前窗角、前艙角、前車體長度、格柵角、側窗角、頂蓋弧度、后車體長度、后窗角、后側鼓角、尾翼角共計10個外氣動造型參數[27]，通過首輪試驗設計獲得10個參數對風阻系數的空間響應模型的近似模擬；通過多參數全局尋優算法，獲取最優風阻系數的參數組合.在首輪試驗設計優化方案的基礎上，優選出參數靈敏度較大的造型參數進行第二輪試驗設計，并參考首輪試驗設計過程，獲得最優參數組合.最優參數組合較初始模型可以實現4.69%的風阻系數優化.此外，選取4個影響后視鏡造型的主要參數，基于試驗設計展開研究，優化后視鏡較初始模型可以實現1.04%的風阻系數優化.

1初始整車外氣動分析

為確保仿真模型的準確性，首先對原始車型進行建模分析，并通過試驗對比，確保整體仿真模型不會因模型簡化、網格等因素帶來太大的誤差.整車分析示意見圖1.

初始模型的分析流程主要包括以下幾個步驟.

（1）簡化模型預分析.預分析模型不關注局部（如格柵、發動機艙、底盤等）特征，只保留大的造型特征，通過對預分析的模型造型進行改變、試算，初步得到影響風阻系數的大靈敏度造型參數.

（2）整車詳細建模.對包含格柵、發動機艙、底盤等局部特征的整車模型進行建模，在規模允許的情況下盡可能保留對風阻系數有影響的外氣動造型特征，從而確保仿真模型的準確性.對于發動機艙內的冷凝器和散熱器，因存在大量格柵構造，若在整車模型中全部建模，會導致網格規模大大增加，因此采用多孔介質模型進行近似模擬.通過實驗手段獲取冷凝器及散熱器的PV特性曲線，再通過FLUENT中的多孔介質模型進行簡化模擬.

（3）網格無關性分析及試驗比對.對車速為30 m/s的整車模型進行分析，并通過網格逐步加密的方式，對不同網格規模的整車模型進行分析，在確保網格無關性的基礎上盡可能地減小分析規模.

將仿真分析結果與試驗結果進行比對，試驗與仿真的風阻和風阻系數值的結果誤差在3%以下，表明整體的簡化、網格劃分方案可以滿足精度要求.

2試驗設計

2.1試驗設計一般步驟

試驗設計的應用一般分為3個步驟：試驗計劃（取樣）、執行試驗（計算）和結果分析（優化）.

試驗設計有多種取樣方法，常用取樣方法的說明[8]見表1.

名稱說明全因子設計為每個因子指定任意水平數并研究所有因子的所有組合部分因子設計取全因子設計中的部分樣本進行試驗（通常為1/2， 1/4等），包括2水平、3水平和混合水平組合正交數組部分因子試驗的一種，通過仔細構造試驗方案，保證因子的正交性（整齊可比和均勻分散）拉丁超立方設計每個因子的水平等于點數，并進行隨機組合最優拉丁超立方設計使傳統拉丁超立方法生成的抽樣點更加均勻