空氣動力學對汽車外形設計的影響綜述

楊芯萍 宋春華 曾孟蘭 羅倩 董學蓮

摘 要：對國內外空氣動力學的演變歷史、典型應用與影響因素進行了綜述，分析了現有的空氣動力學在汽車外形設計應用中的問題，提出了擬解決方法，闡述了空氣動力學在汽車外形設計中的發展趨勢，為汽車空氣動力學外形設計提供了參考。

關鍵字：空氣動力學;綜述;汽車外形設計;發展趨勢

中圖分類號：O355 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）06-123-03

Abstract： This paper reviewed the evolution history， typical applications and influencing factors of aerodynamics at home and abroad， analyzed the existing aerodynamics in the application of automotive shape design， and proposed some solutions to explain the aerodynamics. The development trend of aerodynamics in automobile shape design is described， which provides reference for automobile aerodynamic shape design.

Keywords： Aerodynamics; Overview; Automotive shape design; Development trend

CLC NO.： O355 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）06-123-03

引言

空氣動力學是汽車外形設計的重要依據之一，汽車良好的氣動性能有助于改善其行駛性能，提高燃油經濟性與操作穩定性[1-3]。

本文對近年來國內外空氣動力學在汽車外形設計的相關應用情況進行了綜述，并對其發展趨勢進行了闡述，以期為汽車外形的氣動性設計提供依據。

1 國內外相關研究

1.1 汽車外形演變歷史

從箱形車身到楔形車身，汽車外形經歷了從單純滿足代步需求，到注重舒適度與美感，再到功能、美感與節能環保并重的演變，是汽車氣動性能不斷優化的過程[4-5]。圖1所示展示了汽車形態演變的六階段。

如圖2所示，速度較低時，氣動阻力對汽車行進的影響較小，總阻力主要來自滾動阻力;當車速到達120（km/h）時，氣動阻力占總阻力的70%，發動機動力主要用來克服空氣阻力做功[13-14]。

2.2 風阻系數

一般地，一輛車的風阻系數是固定的，風阻系數越大，空氣阻力越大。到目前為止，“楔型”車身外形被認為是氣動性能最佳的形狀。

2.3 迎風面積

理論上，迎風面積與空氣阻力呈正比，減小迎風面積可以降低空氣阻力，但實際上，因汽車內部空間的需求與限制，迎風面積受制于汽車的整體架構，很難得到進一步的減小[1]。

3 空氣動力學在汽車外形設計應用中的問題及擬解決方法

3.1 問題分析

現階段，空氣動力學在汽車外形設計中的應用還存在很多問題：

（1）汽車的氣動設計和仿真軟件不能智能篩選與反饋設計數據以及各個指標參數;設計、調試周期長;仿真結果精確度不夠等。

（2）作為汽車氣動性能研究的重要手段，風洞試驗存在以下問題：設備投資大[5];試驗周期長[5];堵塞效應;地面效應;試驗結果不夠精確等。

（3）最優化氣動造型設計的概念的提出讓車身外形同質化現象日益嚴重，缺乏個性化和多樣化。

3.2 擬解決方法

針對上述問題，提出了一些擬解決方法：

（1）設計軟件智能化。舉例說明：在軟件啟動之初，預存目前最優化的氣動造型的相關數據及設計方案，在每一輪的新的設計中，一旦產生更優化、風阻更小的數據，軟件能自動替換預存的數據及方案，并在下一次設計時對設計者進行提示，以此減少不必要的設計時間，提高效率。

（2）風洞試驗反饋設計。采用紅外線壓力傳感器采集數據，在既不改變汽車外形的情況下，達到以下目的：第一，提高風洞試驗結果的準確性;第二，反饋數據用于再優化設計，縮短設計周期;第三，為汽車結構強度設計提供載荷依據。

（3）概念造型。注重創意造型，概念造型能給汽車外形設計提供新的方向。例如圖3的奧迪品牌分體式概念車，雖然風阻系數有所增加，但造型獨特，識別度很高。

4 空氣動力學在汽車外形設計的應用的發展趨勢

未來的汽車造型仍將是多個學科交叉的成果。當代汽車外形設計界提出“性能服務于造型[15]”的口號，很好的說明機械工程學和人機工程學已經達到了相當高的發展階段，而空氣動力學在汽車外形設計上還具有很大的發展余地：一方面，智能傳感器的發展、材料工藝的提升以及人工智能的發展都為汽車氣動特性的研究與應用提供了條件;另一方面，個性化定制的需求、節能環保大環境的趨勢都要求未來的汽車外形設計要結合空氣動力學、美學等多方面的因素來設計，空氣動力學在汽車外形設計上的應用十分有意義。

5 總結

人們一直致力研究風阻低、穩定性好的車身造型，因為優秀的汽車外形設計不僅是對汽車性能的優化，也是對潛在客戶的感官吸引。雖然現階段空氣動力學在汽車外形設計方面的研究與應用取得了一些成就，但因為各種原因，空氣動力學在汽車外形設計上的研究與應用還處在探索階段，汽車氣動特性理論遠沒有達到完善的地步。

參考文獻

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