汽車空氣動(dòng)力學(xué)畢業(yè)論文

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘 要...............................................................I</p><p>　　ABSTRACT...........................................................II</

2、p><p>　　目 錄.............................................................IV</p><p>　　第一章 緒論.........................................................1</p><p>　　1.1 研究背景與意義...............

3、.................................1</p><p>　　1.2 汽車空氣動(dòng)力學(xué)的研究方法......................................2</p><p>　　1.2.1 實(shí)驗(yàn)研究...................................................3</p><p>　　

4、1.2.2 理論分析...................................................3</p><p>　　1.2.3 數(shù)值計(jì)算...................................................3</p><p>　　1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.......................................

5、.........4</p><p>　　1.3.1 國外汽車空氣動(dòng)力學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀.................................4</p><p>　　1.3.2 國內(nèi)汽車空氣動(dòng)力學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀.................................5</p><p>　　1.4 本文研究內(nèi)容.........................

6、.........................6</p><p>　　1.4.1 研究目標(biāo)...................................................6</p><p>　　1.4.2 研究內(nèi)容...................................................6</p><p>　　1

7、.4.3 技術(shù)關(guān)鍵和難點(diǎn).............................................7</p><p>　　1.5 catia軟件介紹..................................................7</p><p>　　1.5.1 catia軟件簡介.....................................

8、.........7</p><p>　　1.5.2 catia在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用........................................7</p><p>　　第二章 汽車空氣動(dòng)力學(xué)氣動(dòng)特性研究...................................8</p><p>　　2.1 空氣動(dòng)力學(xué)基本理論...............

9、.............................8</p><p>　　2.1.1 空氣的基本物理屬性.........................................8</p><p>　　2.1.2 氣流運(yùn)動(dòng)的基本方程........................................10</p><p>　　2.1.3 粘

10、性流基礎(chǔ)................................................11</p><p>　　2.2 汽車的氣動(dòng)力與氣動(dòng)力矩.......................................13</p><p>　　2.3 氣動(dòng)力對汽車性能的影響.......................................16</p&g

11、t;<p>　　2.3.1 氣動(dòng)力對汽車動(dòng)力性的影響..................................16</p><p>　　2.3.2 氣動(dòng)力對燃油經(jīng)濟(jì)型的影響..................................18</p><p>　　2.3.3 氣動(dòng)力對汽車操縱穩(wěn)定性的影響..............................1

12、9</p><p>　　2.4 汽車流場的組成...............................................19</p><p>　　2.5 本章小結(jié).....................................................20</p><p>　　第三章 汽車外流場數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)..........

13、........................22</p><p>　　3.1 汽車外流場的基本假設(shè).........................................22</p><p>　　3.2 基本控制方程.................................................22</p><p>　　3.2.1 質(zhì)

14、量守恒方程.............................................22</p><p>　　3.2.2 動(dòng)量守恒方程.............................................23</p><p>　　3.2.3 能量守恒方程.............................................23<

15、/p><p>　　3.3 數(shù)值離散化方法...............................................24</p><p>　　3.3.1 常用數(shù)值離散化方法.......................................24</p><p>　　3.3.2 有限體積法............................

16、...................25</p><p>　　3.4 湍流模型.....................................................28</p><p>　　3.4.1 湍流模型的分類...........................................28</p><p>　　3.4.2 常用湍

17、流模型.............................................29</p><p>　　3.5 本章小結(jié).....................................................31</p><p>　　第四章 轎跑車外流場數(shù)值模擬........................................32</

18、p><p>　　4.1 幾何模型的建立...............................................32</p><p>　　4.2 計(jì)算區(qū)域的確定...............................................32</p><p>　　4.3 網(wǎng)格的劃分...........................

19、........................32</p><p>　　4.3.1 網(wǎng)格策略.................................................32</p><p>　　4.3.2 計(jì)算網(wǎng)格的生成............................................33</p><p>　　4.4 邊

20、界條件的設(shè)定...............................................35</p><p>　　4.5 求解器的選擇.................................................37</p><p>　　4.6 湍流模型及離散格式的選取.....................................37<

21、;/p><p>　　4.7 收斂性判定...................................................37</p><p>　　4.8 轎跑車數(shù)值模擬結(jié)果與分析.....................................38</p><p>　　4.8.1 車身外流場分析........................

22、...................38</p><p>　　4.8.2 氣動(dòng)阻力計(jì)算及性能分析...................................43</p><p>　　4.9 本章小結(jié).....................................................44</p><p>　　第五章 總結(jié).......

23、.................................................57</p><p>　　5.1 全文總結(jié).....................................................57</p><p>　　5.2 展望......................................................

24、...57</p><p>　　參考文獻(xiàn)...........................................................59</p><p>　　致 謝....................................................... </p><p><b>　　1 緒論</b>

25、;</p><p>　　1.1 研究背景與意義</p><p>　　隨著人們對物質(zhì)生活的追求和提高，人們對生活品位的追求促使我們這些汽車技術(shù)人員只有去精益求精制造完美汽車才能滿足人們的需求。由于高等級(jí)公里的發(fā)展，汽車車速的提高對汽車的操縱穩(wěn)定性、安全性、舒適性提出了更高的要求，特別是由于世界能源危機(jī)，石油價(jià)格上漲，使得汽車節(jié)能技術(shù)收到了前所未有的關(guān)注。對于高速行駛的汽車，氣動(dòng)力對其各性能的

26、影響有著至關(guān)重要的作用，所以良好的空氣動(dòng)力穩(wěn)定性是汽車高速、安全行駛的前提。因此，改善和提高汽車的空氣動(dòng)力學(xué)特性是具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義的。</p><p>　　空氣阻力是汽車行駛時(shí)所遇到最大的也是最重要的外力。風(fēng)阻系數(shù)的大小取決于汽車的外形。風(fēng)阻系數(shù)愈大,則空氣阻力愈大。現(xiàn)在汽車的風(fēng)阻系數(shù)一般在0.3-0.5之間。所有汽車設(shè)計(jì)者都在致力于風(fēng)阻系數(shù)的降低,風(fēng)阻系數(shù)越低則意味著汽車燃油越佳,目前不少國內(nèi)車型的風(fēng)阻系

27、數(shù)已經(jīng)低于0.3。</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)值分析方法的不斷演變，求解復(fù)雜的偏微分方程組成為可能，這些也進(jìn)一步促進(jìn)了計(jì)算流體力學(xué)CFD的發(fā)展。數(shù)值分析方法現(xiàn)已成為與實(shí)驗(yàn)研究方法和理論分析兩類方法并駕齊驅(qū)的重要研究方法。數(shù)值計(jì)算的目的是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來求解流動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程，從而研究分析汽車流場各主要特性以及汽車氣動(dòng)性能。</p><p>　　國外一些汽車工業(yè)相對比較發(fā)達(dá)的國家

28、對汽車空氣動(dòng)力學(xué)，尤其是在傳統(tǒng)的試驗(yàn)研究方面已經(jīng)取得的很大的成就。計(jì)算流體力學(xué)取得了很大重要的研究成果。當(dāng)時(shí)80年代初期的研究對象還僅僅是限于車體的基本形狀方面，隨后才逐步發(fā)展到如今包括車后視鏡、擾流板、發(fā)動(dòng)機(jī)倉、車輪等部件的模擬，并且加入了有關(guān)車輛高速行駛時(shí)的橫風(fēng)穩(wěn)定性和橫風(fēng)過渡特性，甚至是兩車相撞時(shí)瞬態(tài)空氣動(dòng)力學(xué)特性等方面的模擬，可以說現(xiàn)在汽車空氣動(dòng)力學(xué)解析系統(tǒng)的研究已是初具規(guī)模。</p><p>　　CFD

29、在汽車設(shè)計(jì)的應(yīng)用方面國內(nèi)雖然起步很晚，但是進(jìn)展迅速，并且取得了較好的成績。吉林大學(xué)的傅立敏教授用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬分析流場橫縱向的流動(dòng)情況，研究轎車三維分離流動(dòng)特性，分析了其氣流分離和尾渦的形成原因與發(fā)展機(jī)理。中國氣動(dòng)中心與汽車研究院合作研究車身各部分的速度矢量及壓力分布；北京航空航天大學(xué)則在軟件開發(fā)及減阻方面做出來很大成果。</p><p>　　1.2 汽車空氣動(dòng)力學(xué)的研究方法</p><p&g

30、t;　　汽車空氣動(dòng)力學(xué)目前的研究方法按研究手段可以分為實(shí)驗(yàn)研究、理論分析和數(shù)值計(jì)算三種。</p><p>　　1.2.1 實(shí)驗(yàn)研究</p><p>　　汽車空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)主要包括模型風(fēng)洞試驗(yàn)法、實(shí)車風(fēng)洞試驗(yàn)法和實(shí)車道路實(shí)驗(yàn)法。實(shí)驗(yàn)研究在空氣動(dòng)力學(xué)研究中占有十分重要的地位，它可以更真實(shí)地模擬汽車實(shí)際行駛狀況，并可以提供建立理論模型的依據(jù)、檢驗(yàn)理論及計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。道路試驗(yàn)只有在汽車

31、樣車生產(chǎn)出來后才能進(jìn)行，屬于汽車空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究后期的一個(gè)手段，風(fēng)洞試驗(yàn)則能在汽車設(shè)計(jì)研發(fā)早期開展，是汽車開發(fā)或已有汽車變型發(fā)展過程中內(nèi)外形設(shè)計(jì)的重要手段。但是實(shí)驗(yàn)方法受限于試驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)手段、設(shè)備和經(jīng)費(fèi)等物質(zhì)條件。特別是風(fēng)洞試驗(yàn)，投入大，成本高。此外有些實(shí)際問題尚無法在實(shí)驗(yàn)中得以解決，使得難以得到準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。</p><p>　　1.2.2 理論分析</p><p>　　理論分析的

32、特點(diǎn)在于科學(xué)的抽象，利用數(shù)學(xué)方法求出理論結(jié)果，清晰地、普遍地揭示出空氣運(yùn)動(dòng)、汽車氣動(dòng)力產(chǎn)生機(jī)理以及對汽車性能影響的內(nèi)在規(guī)律。首先抽象出合理的簡化理論模型，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)已總結(jié)出的相關(guān)的介質(zhì)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)公式，結(jié)合普遍定律來構(gòu)建描述其有關(guān)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的微分方程，接著利用數(shù)學(xué)方法并考慮到相應(yīng)的初始和邊界條件解出方程組。研究人員通過對這個(gè)得出的解加以分析，就可以揭示出其所表示各種待觀測物理量的變化規(guī)律。</p><p>　

33、　但是理論分析往往容易受到數(shù)學(xué)工具及求解方法的限制，只能建立相對簡單的近似模型和經(jīng)驗(yàn)公式，對于研究更復(fù)雜的、更符合實(shí)際的氣流存在很大的局限性。</p><p>　　1.2.3 數(shù)值計(jì)算</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)值分析方法的不斷演變，求解復(fù)雜的偏微分方程組成為可能，這些也進(jìn)一步促進(jìn)了計(jì)算流體力學(xué)CFD（Computer Fluid Dynamics）的發(fā)展。同時(shí)數(shù)值分析方

34、法在計(jì)算流體力學(xué)，尤其是汽車空氣動(dòng)力學(xué)方面的研究作用和地位也在不斷提高，現(xiàn)已成為與實(shí)驗(yàn)研究和理論分析兩類方法并駕齊驅(qū)的重要研究方法。</p><p>　　數(shù)值計(jì)算的目的是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來求解流動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程，從而研究分析汽車流場各主要特性以及汽車氣動(dòng)性能。通過計(jì)算分析汽車周圍的繞流情況，并將其結(jié)果可視化，使得研究人員可以很清晰地看到汽車流場的各種細(xì)節(jié)，進(jìn)而可以分析流動(dòng)的分離、表面壓力分布以及受力大小情況等。其優(yōu)點(diǎn)是能

35、夠預(yù)測或解決一些理論及實(shí)驗(yàn)無法處理的復(fù)雜流動(dòng)問題，能取代部分實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，且省時(shí)省工。數(shù)值計(jì)算的特點(diǎn)是不受流場品質(zhì)、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)器材等因素影響，實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇大。但是它要求事前必須充分了解問題的物理特性，才能提煉出比較精確的數(shù)學(xué)方程及相應(yīng)的初始、邊界條件等，而這些又必須依靠實(shí)驗(yàn)和理論方法的支撐。</p><p>　　應(yīng)用CFD分析指導(dǎo)設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)提供科學(xué)的依據(jù)，無論在新產(chǎn)品開發(fā)還是在 現(xiàn)有產(chǎn)品

36、改進(jìn)方面，都具有提高產(chǎn)品質(zhì)量、增強(qiáng)自主開發(fā)能力的作用。由于具有周期短、成本低、不需實(shí)體模型（實(shí)車）等特點(diǎn)，CFD 分析必將在未來虛擬開發(fā)技術(shù)中發(fā)揮重要作用。</p><p>　　但是不可否認(rèn)，數(shù)值模擬方法也存在其一定的缺點(diǎn)：比如，因目前無法完全搞清楚湍流的流態(tài)特性，對有些問題的求解也還沒有普遍適用的數(shù)學(xué)模型，并且數(shù)值計(jì)算的精度和收斂性也有待改進(jìn)。如在針對汽車外流場的模擬過程中，對于一些特定的、物理機(jī)理比較清楚的區(qū)

37、域，我們可以用CFD 方法來得到精度較高的求解；但是對于那些流動(dòng)機(jī)理仍不是很明確的地方（如車身的分離繞流部分），CFD 方法求解精度仍有待提高。另外，由于RANS 代碼中本身就包含了基于經(jīng)驗(yàn)的輸入?yún)?shù)、截?cái)嗾`差、湍流模型等設(shè)置因素，這就導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果必然會(huì)存在著一定的差異。因此， 目前CFD 方法并不能全面代替風(fēng)洞試驗(yàn)研究。實(shí)際上，現(xiàn)在汽車設(shè)計(jì)行業(yè)很多實(shí)際問題還是需要依靠相關(guān)試驗(yàn)來解決。從某種程度上來說，試驗(yàn)結(jié)果可以校正CF

38、D方法和檢驗(yàn)CFD結(jié)果是否正確。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)研究、理論分析、數(shù)值計(jì)算這三種方法各有利弊、相輔相成。實(shí)驗(yàn)研究是理論分析和數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)，它可以用來檢驗(yàn)理論的正確性和可靠性；理論分析能指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，并能將部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用到一整類現(xiàn)象問題中去，在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過歸納總結(jié)，得出相應(yīng)規(guī)律，促進(jìn)理論的發(fā)展，并反過來指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)；數(shù)值計(jì)算則可以彌補(bǔ)另外兩者的不足，三者相互作用，共同促進(jìn)汽車空氣動(dòng)力學(xué)的發(fā)展

39、。</p><p>　　1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.3.1 國外汽車空氣動(dòng)力學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　國外一些汽車工業(yè)相對比較發(fā)達(dá)的國家對汽車空氣動(dòng)力學(xué)，尤其是在傳統(tǒng)的試驗(yàn)研究方面已經(jīng)取得了很大的成就，各大汽車公司基本上都有自己的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室。迄今為止國際上眾多名車都是基于各種嚴(yán)格條件下的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果來設(shè)計(jì)和改型的，可以說都是融合了現(xiàn)代空氣動(dòng)

40、力學(xué)的成果。自20年代國外將空氣動(dòng)力學(xué)應(yīng)用到汽車上以來，先后已出現(xiàn)了很多驕人的成績。1938 年法國人安德里奧設(shè)計(jì)了氣動(dòng)阻力系數(shù)僅為0.28 “雷電”賽車，同時(shí)在強(qiáng)側(cè)向風(fēng)條件下也擁有良好的穩(wěn)定性，并以575.3km/h的高車速創(chuàng)造當(dāng)時(shí)的世界記錄。60年代初期，各大汽車公司先后投入巨額資金建造新型的整車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室。用這種風(fēng)洞模擬真實(shí)汽車在不同行駛條件下的狀況，除了可以研究汽車承受的氣動(dòng)力之外，還可更準(zhǔn)確地研究汽車外部或內(nèi)部細(xì)節(jié)的空氣流場，

41、以及發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻、室內(nèi)通風(fēng)、灰塵積垢等等各項(xiàng)性能。其中較為代表的是值達(dá)到0.30“Audi100C3”型轎車，采用整體最佳化方法設(shè)計(jì)開發(fā)，“Audi100C3”的推出在當(dāng)時(shí)引起了整個(gè)世界汽車行業(yè)的轟動(dòng)。</p><p>　　計(jì)算流體力學(xué)(CFD)應(yīng)用于汽車設(shè)計(jì)始于80年代，其研究主要以歐美為心。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和湍流理論研究的不斷深入，使得將計(jì)算流體力學(xué)的研究成果應(yīng)用于汽車設(shè)計(jì)成為可能，并取得了很多重要的研究

42、成果。當(dāng)時(shí)80年代初期的研究對象還僅僅是限于車體的基本形狀方面，隨后才逐步發(fā)展到如今包括車后視鏡、擾流板、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、復(fù)雜底板、車輪等部件的模擬，并且加入了有關(guān)車輛高速行駛時(shí)的橫風(fēng)穩(wěn)定性和橫風(fēng)過渡特性，甚至是兩車相遇時(shí)瞬態(tài)空氣動(dòng)力學(xué)特性等方面的模擬。值得一提的是在精度方面，研究結(jié)果可以把的誤差降到了5%以內(nèi)。同時(shí)隨著ANSYS、STAR.CD、FLUENT 以及CFX 等商業(yè)軟件的廣泛應(yīng)用，可以說現(xiàn)在汽車空氣動(dòng)力學(xué)解析系統(tǒng)的研究已是初具規(guī)

43、模。</p><p>　　1.3.2 國內(nèi)汽車空氣動(dòng)力學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　我國的汽車工業(yè)發(fā)展一直比較落后，國內(nèi)自主研發(fā)水平比較低，可以說是長期處于引進(jìn)國外技術(shù)的低開發(fā)水平狀態(tài)，因此對汽車空氣動(dòng)力學(xué)方面的研究投入甚微。國內(nèi)以往對空氣動(dòng)力學(xué)的研究主要是集中在飛機(jī)等航天方面的研究，而在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用研究則很少，相對來說也比較晚。1981 年中國空氣動(dòng)力學(xué)研究與發(fā)展中心首次進(jìn)行了兩輛轎

44、車和一輛面包車的實(shí)車測試風(fēng)洞試驗(yàn)研究，隨后長春汽車研究所、湖南大學(xué)、原吉林工業(yè)大學(xué)、南京航天航空大學(xué)、西安公路交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)通過對航天風(fēng)洞、建筑風(fēng)洞的改造，先后也開始了轎車、大客車和貨車的汽車空氣動(dòng)力學(xué)的研究工作。2009 年9 月19日,斥資4.9 億元建造的中國國內(nèi)第一個(gè)“汽車風(fēng)洞”—上海地面交通工具風(fēng)洞中心在同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)正式落成啟用，填補(bǔ)了中國國內(nèi)汽車研發(fā)設(shè)計(jì)領(lǐng)域多個(gè)空白。此次風(fēng)洞的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到世界領(lǐng)先水平，并擁有全

45、部自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。除支持汽車企業(yè)外，新啟用的上海地面交通工具風(fēng)洞中心還將為中國高速列車的自主研發(fā)和大飛機(jī)項(xiàng)目，提供不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)支撐平臺(tái)?！捌囷L(fēng)洞”將為中國汽車和軌道車輛工業(yè)，特別是為新能源汽車的自主研發(fā)提供重要的基礎(chǔ)性服務(wù)，為中國汽車工業(yè)從“中國制</p><p>　　長春汽車研究所應(yīng)用細(xì)部最佳化設(shè)計(jì)方法，通過改變曲面斜度、增加擾流板等措施對紅旗CA774模型進(jìn)行改型，最后使其阻力系數(shù)降低21.1%，升力系

46、數(shù)降低54%。并通過進(jìn)一步優(yōu)化滑底板，使得汽車最后產(chǎn)生了負(fù)升力。吉林大學(xué)的傅立敏教授用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬分析流場橫縱向的流動(dòng)狀況，研究轎車三維分離流動(dòng)特性，分析了其氣流分離及尾渦的形成原因與發(fā)展機(jī)理。中國氣動(dòng)中心與汽車研究院合作研究車身各部分的速度矢量及壓力分布；北京航空航天大學(xué)則在軟件開發(fā)及減阻方面做出了很多成果。近10年來，汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究受到極大的重視，在降低氣動(dòng)阻力方面取得了很大的進(jìn)展，商品車的平均氣動(dòng)阻力系數(shù)已降至0.35以下，

47、一些先進(jìn)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)的樣車，氣動(dòng)阻力已降到0.15～0.20。隨著降阻車的開發(fā)，車身設(shè)計(jì)趨于挺拔、大方的棱角造型，但對空氣動(dòng)力學(xué)有影響的關(guān)鍵部位，都采用圓角過渡。并且，國內(nèi)目前己經(jīng)出現(xiàn)了一些由我國自主開發(fā)的應(yīng)用于汽車的三維流場計(jì)算軟件。</p><p>　　1.4 本文研究內(nèi)容</p><p>　　本設(shè)計(jì)主要是通過使用建模軟件對某型汽車進(jìn)行建模，并運(yùn)用CFD軟件對其流場進(jìn)行數(shù)值模擬，通過分析

48、整車表面速度和壓力特性，了解氣流運(yùn)動(dòng)規(guī)律和情況，結(jié)合理論分析其各部分結(jié)構(gòu)對外流場的影響及規(guī)律，為此轎車的開發(fā)提供計(jì)算機(jī)模擬數(shù)據(jù)。</p><p>　　研究應(yīng)用汽車空氣動(dòng)力學(xué)及所用軟件基礎(chǔ)；</p><p>　　以某汽車為研究對象用catia軟件進(jìn)行三維建模，并生成有限元模型；</p><p>　　3） 對模型外部的速度和壓力場進(jìn)行分析，得出相應(yīng)的結(jié)論，分析該汽車

49、的流場特性、表面壓力，總結(jié)其結(jié)構(gòu)對氣動(dòng)阻力與升力的影響。</p><p>　　1.5 catia軟件介紹</p><p>　　1.5.1 catia軟件簡介</p><p>　　CATIA是法國Dassault System公司旗下的CAD/CAE/CAM一體化的軟件，Dassault System成立于1981年，CATIA是英文 Computer Aided T

50、ri-Dimensional Interface Application 的縮寫。</p><p>　　在70年代Dassault Aviation成為了第一個(gè)用戶，Dassault Aviation是世界著名的航空航天企業(yè)，其產(chǎn)品以幻影2000和陣風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)最為著名。</p><p>　　從1982年到1988年，CATIA相繼發(fā)布了1版本、2版本、3版本，并于1993年發(fā)布了功能強(qiáng)大的4

51、版本，現(xiàn)在的CATIA軟件分為V4版本和 V5版本兩個(gè)系列。V4版本應(yīng)用于UNIX 平臺(tái)，V5版本應(yīng)用于UNIX和Windows 兩種平臺(tái)。</p><p>　　CATIA如今其在CAD/CAE/CAM 以及PDM 領(lǐng)域內(nèi)的領(lǐng)導(dǎo)地位，已得到世界范圍內(nèi)的承認(rèn)。</p><p>　　其銷售利潤從最開始的一百萬美圓增長到現(xiàn)在的近二十億美元。雇員人數(shù)由20人發(fā)展到2，000多人。居世界CAD/CA

52、E/CAM領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、造船、機(jī)械制造、電子\電器、消費(fèi)品行業(yè)，它的集成解決方案覆蓋所有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域，其特有的DMU電子樣機(jī)模塊功能及混合建模技術(shù)更是推動(dòng)著企業(yè)競爭力和生產(chǎn)力的提高。</p><p>　　CATIA 提供方便的解決方案，迎合所有工業(yè)領(lǐng)域的大、中、小型企業(yè)需要。包括:從大型的波音747飛機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)到化妝品的包裝盒，幾乎涵蓋了所有的制造業(yè)產(chǎn)品。在世界上有超過

53、13,000的用戶選擇了CATIA。CATIA源于航空航天業(yè)，但其強(qiáng)大的功能以得到各行業(yè)的認(rèn)可，在歐洲汽車業(yè)，已成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。CATIA 的著名用戶包括波音、克萊斯勒、寶馬、奔馳等一大批知名企業(yè)。其用戶群體在世界制造業(yè)中具有舉足輕重的地位。波音飛機(jī)公司使用CATIA完成了整個(gè)波音777的電子裝配，創(chuàng)造了業(yè)界的一個(gè)奇跡，從而也確定了CATIA在CAD/CAE/CAM 行業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先地位。</p><p>　　劃時(shí)

54、代產(chǎn)品CATIA V5</p><p>　　V5版本的開發(fā)開始于1994年，CATIA V5版本是IBM和達(dá)索系統(tǒng)公司長期以來在為數(shù)字化企業(yè)服務(wù)過程中不斷探索的結(jié)晶。圍繞數(shù)字化產(chǎn)品和電子商務(wù)集成概念進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的CATIA V5版本，可為數(shù)字化企業(yè)建立一個(gè)針對產(chǎn)品整個(gè)開發(fā)過程的工作環(huán)境。在這個(gè)環(huán)境中，可以對產(chǎn)品開發(fā)過程的各個(gè)方面進(jìn)行仿真，并能夠?qū)崿F(xiàn)工程人員和非工程人員之間的電子通信。產(chǎn)品整個(gè)開發(fā)過程包括概念設(shè)

55、計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、工程分析、成品定義和制造乃至成品在整個(gè)生命周期中的使用和維護(hù)。新的V5版本界面更加友好，功能也日趨強(qiáng)大，并且開創(chuàng)了CAD/CAE/CAM軟件的一種全新風(fēng)格。</p><p><b>　　1）產(chǎn)品及服務(wù)</b></p><p>　　模塊化的CATIA系列產(chǎn)品旨在滿足客戶在產(chǎn)品開發(fā)活動(dòng)中的需要，包括風(fēng)格和外型設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、設(shè)備與系統(tǒng)工程、管理數(shù)字樣機(jī)、機(jī)械

56、加工、分析和模擬。CATIA產(chǎn)品基于開放式可擴(kuò)展的V5架構(gòu)。</p><p>　　通過使企業(yè)能夠重用產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)，縮短開發(fā)周期，CATIA解決方案加快企業(yè)對市場的需求的反應(yīng)。自1999年以來，市場上廣泛采用它的數(shù)字樣機(jī)流程，從而使之成為世界上最常用的產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)。</p><p>　　CATIA系列產(chǎn)品已經(jīng)在七大領(lǐng)域里成為首要的3D設(shè)計(jì)和模擬解決方案：汽車、航空航天、船舶制造、廠房設(shè)計(jì)、電

57、力與電子、消費(fèi)品和通用機(jī)械制造。</p><p><b>　　2）核心技術(shù)</b></p><p>　　1.CATIA先進(jìn)的混合建模技術(shù)</p><p>　　設(shè)計(jì)對象的混合建模：在CATIA的設(shè)計(jì)環(huán)境中，無論是實(shí)體或是曲面，做到了真正的互操作；變量和參數(shù)化混合建模：在設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者不必考慮如何參數(shù)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，CATIA提供了變量驅(qū)動(dòng)及后參數(shù)化能

58、力。</p><p>　　幾何和智能工程混合建模：對于一個(gè)企業(yè)，可以將企業(yè)多年的經(jīng)驗(yàn)積累到CATIA的知識(shí)庫中，用于指導(dǎo)本企業(yè)新手，或指導(dǎo)新車型的開發(fā)，加速新型號(hào)推向市場的時(shí)間。</p><p>　　2.CATIA具有在整個(gè)產(chǎn)品周期內(nèi)的方便的修改能力，尤其是后期修改性</p><p>　　無論是實(shí)體建模還是曲面建模，由于CATIA提供了智能化的樹結(jié)構(gòu)，用戶可方便快捷

59、的對產(chǎn)品進(jìn)行重復(fù)修改，即使是在設(shè)計(jì)的最后階段需要做重大的修改，或者是對原有方案的更新?lián)Q代，對于CATIA來說，都是非常容易的事。</p><p>　　3.CATIA所有模塊具有全相關(guān)性</p><p>　　CATIA的各個(gè)模塊基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)，因此CATIA的各個(gè)模塊存在著真正的全相關(guān)性，三維模型的修改，能完全體現(xiàn)在二維，以及有限元法分析，模具和數(shù)控加工的程序中。</p>

60、<p>　　4.并行工程的設(shè)計(jì)環(huán)境使得設(shè)計(jì)周期大大縮短</p><p>　　CATIA 提供的多模型鏈接的工作環(huán)境及混合建模方式，使得并行工程設(shè)計(jì)模式已不再是新鮮的概念，總體設(shè)計(jì)部門只要將基本的結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)放出去，各分系統(tǒng)的人員便可開始工作，既可協(xié)同工作，又不互相牽連；由于模型之間的互相聯(lián)結(jié)性，使得上游設(shè)計(jì)結(jié)果可做為下游的參考，同時(shí)，上游對設(shè)計(jì)的修改能直接影響到下游工作的刷新。實(shí)現(xiàn)真正的并行工程設(shè)計(jì)環(huán)境。

61、</p><p>　　5.CATIA覆蓋了產(chǎn)品開發(fā)的整個(gè)過程</p><p>　　CATIA 提供了完備的設(shè)計(jì)能力：從產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)到最終產(chǎn)品的形成，以其精確可靠的解決方案提供了完整的2D、3D、參數(shù)化混合建模及數(shù)據(jù)管理手段，從單個(gè)零件的設(shè)計(jì)到最終電子樣機(jī)的建立；同時(shí)，作為一個(gè)完全集成化的軟件系統(tǒng)，CATIA將機(jī)械設(shè)計(jì)，工程分析及仿真，數(shù)控加工和CATweb網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用解決方案有機(jī)的結(jié)合在一起

62、，為用戶提供嚴(yán)密的無紙工作環(huán)境，特別是CATIA中的針對汽車、摩托車業(yè)的專用模塊,使CATIA擁有了最寬廣的專業(yè)覆蓋面，從而幫助客戶達(dá)到縮短設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量及降低費(fèi)用的目的。</p><p>　　1.5.2 catia軟件在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用</p><p>　　CATIA是汽車工業(yè)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，是歐洲、北美和亞洲頂尖汽車制造商所用的核心系統(tǒng)。CATIA 在造型風(fēng)格、車身及引擎設(shè)計(jì)等方

63、面具有獨(dú)特的長處，為各種車輛的設(shè)計(jì)和制造提供了端對端（end to end）的解決方案。CATIA 涉及產(chǎn)品、加工和人三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。CATIA的可伸縮性和并行工程能力可顯著縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。</p><p>　　一級(jí)方程式賽車、跑車、轎車、卡車、商用車、有軌電車、地鐵列車、高速列車，各種車輛在CATIA 上都可以作為數(shù)字化產(chǎn)品，在數(shù)字化工廠內(nèi)，通過數(shù)字化流程，進(jìn)行數(shù)字化工程實(shí)施。CATIA 的技術(shù)在汽車工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)

64、是無人可及的，并且被各國的汽車零部件供應(yīng)商所認(rèn)可。從近來一些著名汽車制造商所做的采購決定，如Renault、Toyota、Karman、Volvo、Chrysler等，足以證明數(shù)字化車輛的發(fā)展動(dòng)態(tài)。Scania是居于世界領(lǐng)先地位的卡車制造商，總部位于瑞典。其卡車年產(chǎn)量超過50，000輛。當(dāng)其他競爭對手的卡車零部件還在25，000個(gè)左右時(shí)，Scania公司借助于CATIA系統(tǒng)，已經(jīng)將卡車零部件減少了一半?，F(xiàn)在，Scania公司在整個(gè)卡車研

65、制開發(fā)過程中，使用更多的分析仿真，以縮短開發(fā)周期，提高卡車的性能和維護(hù)性。CATIA系統(tǒng)是Scania公司的主要CAD/CAM 系統(tǒng)，全部用于卡車系統(tǒng)和零部件的設(shè)計(jì)。通過應(yīng)用這些新的設(shè)計(jì)工具，如發(fā)動(dòng)機(jī)和車身底盤部門CATIA系統(tǒng)創(chuàng)成式零部件應(yīng)力分析的應(yīng)用，支持開發(fā)過程中的重復(fù)使用等應(yīng)用，公司已取得了良好的投資回報(bào)?，F(xiàn)在，為了進(jìn)一步提高產(chǎn)品的性能，Scan</p><p>　　2 汽車空氣動(dòng)力學(xué)氣動(dòng)特性研究<

66、/p><p>　　汽車空氣動(dòng)力學(xué)以空氣動(dòng)力學(xué)為基本理論來分析汽車周圍的流場，研究作用在汽車上的氣動(dòng)力和力矩，并運(yùn)用空氣動(dòng)力學(xué)研究的成果來改善汽車造型，提高汽車性能。因此，本章主要探討了空氣動(dòng)力學(xué)的基本理論，為數(shù)值計(jì)算提供理論基礎(chǔ)。</p><p>　　2.1 空氣動(dòng)力學(xué)基本理論</p><p>　　2.1.1 空氣的基本物理屬性</p><p>

67、　　1）空氣的連續(xù)介質(zhì)模型</p><p>　　通常我們用自由行程平均值(氣體中所有分子) l 來表示氣體分子的間隙大小。對海平面大氣而言，在氣壓為760mm汞柱，溫度為15℃時(shí)，每1內(nèi)有空氣分子2.7×個(gè)，其平均自由行程l =10mm，因而，從微觀上看空氣是離散的。這樣要研究空氣的相關(guān)規(guī)律將十分困難，因?yàn)槲覀儾荒馨盐⒎址匠痰葦?shù)學(xué)工具直接用于離散介質(zhì)中。但空氣動(dòng)力學(xué)研究的不是微觀的分子運(yùn)動(dòng)，而是研究空氣

68、與其中運(yùn)動(dòng)物體的宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)，是大量分子的平均統(tǒng)計(jì)行為。所研究對（如汽車）的特征尺寸要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分子的間距，因此在空氣動(dòng)力學(xué)研究中，將實(shí)際由分子組成的空氣用一種假想的彼此無任何間隙的空氣微團(tuán)來代替，這種空氣微團(tuán)被定義為由足夠量分子組成并連續(xù)充滿所占據(jù)的空間，這就是歐拉建立的連續(xù)介質(zhì)模型。</p><p>　　在這個(gè)模型的前提下，空氣動(dòng)力學(xué)把介質(zhì)（空氣）看成無空隙存在，這種假設(shè)，稱為連續(xù)性假設(shè)?；诖思僭O(shè)，可將空氣特

69、性的一系列參數(shù)，如壓強(qiáng)、溫度、密度、速度都可看作是連續(xù)分布的，因?yàn)樗麄兛杀豢闯煽臻g坐標(biāo)和時(shí)間的連續(xù)可分函數(shù)，故在研究中可采用微分方程等數(shù)學(xué)工具。</p><p>　　2）空氣的粘性和流動(dòng)性</p><p><b>　?。?）粘性</b></p><p>　　把手浸入水中，抽出時(shí)就會(huì)有水珠黏附在手上，這表明水有黏性，把手浸入甘油或蜂蜜中間，附著的

70、就更多，這表明它們的黏性比水大得多。空氣的黏性比水的要小?？諝獾酿ば院蜏囟扔嘘P(guān)，溫度高，空氣的黏性大，反之就小。空氣的黏性可用其動(dòng)力黏度來衡量。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，只有流動(dòng)時(shí)才會(huì)表現(xiàn)出粘性，靜止的流體不呈現(xiàn)粘性。粘性的作用表現(xiàn)為阻礙氣流內(nèi)部的相對滑動(dòng)，進(jìn)而阻礙氣流的流動(dòng)。這種阻礙作用只能延緩相對滑動(dòng)過程，這是粘性的重要特征。粘性的大小，可用單位面積上的摩擦力——摩擦應(yīng)力τ 表示。粘性系數(shù)μ 顯著地依賴于溫度，但很少隨壓力發(fā)生變化，它

71、與溫度的關(guān)系對于液體和氣體來說是截然不同的。對于液體來說,隨著溫度升高，粘性系數(shù)μ下降；對于氣體而言，隨著溫度升高，粘性系數(shù)隨之上升。 　　由于空氣的粘性不大，在處理許多氣流問題時(shí)，有時(shí)往往會(huì)忽略粘性作用。忽略其粘性作用的流體稱為理想流體。</p><p><b>　?。?）流動(dòng)性</b></p><p>　　氣體的流動(dòng)性是指在空氣中運(yùn)動(dòng)的物體的通過性。亦

72、即當(dāng)運(yùn)動(dòng)的物體經(jīng)過時(shí)，它流經(jīng)過的路線上原來的空氣，必然會(huì)被排擠開去，這種被排擠開去的運(yùn)動(dòng)，稱為受擾運(yùn)動(dòng)。受擾動(dòng)的并不僅僅是直接和運(yùn)動(dòng)物體相接觸的那些空氣微團(tuán)，因?yàn)閿_動(dòng)會(huì)通過空氣微團(tuán)的彼此作用，由近及遠(yuǎn)地傳播開去的。擾動(dòng)這樣層層傳播開去的傳播速度和氣體的彈性有關(guān)系，也就是說與音速有關(guān)，當(dāng)擾動(dòng)不大時(shí)，這種傳播速度就等于音速。當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體的速度遠(yuǎn)小于音速時(shí)，這時(shí)空氣的流動(dòng)性很好。因?yàn)樵谶\(yùn)動(dòng)物體還沒到達(dá)的路徑前方，空氣微團(tuán)由于受到擾動(dòng)而開始運(yùn)動(dòng)，

73、當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體到達(dá)時(shí)，空氣微團(tuán)就很容易地讓開路了。當(dāng)運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)速度超過速之后，擾動(dòng)傳播的速度仍是音速，只是運(yùn)動(dòng)物體到達(dá)時(shí)才突然被推開。這時(shí)流動(dòng)性就很差了。當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到高超音速范圍時(shí)，空氣簡直就像沒有流動(dòng)性一樣、空氣微團(tuán)會(huì)像固體粒子那樣向運(yùn)動(dòng)物體打來。由于汽車的運(yùn)動(dòng)速度一般都低于音速，因而其空氣流動(dòng)性較好。</p><p>　　2.1.2 氣流運(yùn)動(dòng)的基本方程</p><p>　　流體力學(xué)中

74、的基本方程為連續(xù)性方程和伯努利方程，前者表示兩過流斷面上的流動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系，后者則表示能量轉(zhuǎn)換的關(guān)系。</p><p><b>　　1）連續(xù)性方程</b></p><p>　　如圖2.1所示，當(dāng)流體流經(jīng)變截面時(shí)，如果是定常流動(dòng)，則管道的任意截面1、2 之間的流體質(zhì)量不變，即：</p><p>　　ρ1V1A1 = ρ2V2A2 = C1

75、 （2.1）</p><p>　　式中：ρ1、ρ2 —兩截面的平均密度，對于不可壓縮流體，其密度為常數(shù)；</p><p>　　V1、 V2—兩截面的平均流速；</p><p>　　A1、A2 —兩截面的截面積；</p><p><b>　　C1—常數(shù)。 </b>

76、;</p><p>　　圖 2.1 流體在變截面管中的流動(dòng)</p><p><b>　　2）伯努利方程</b></p><p>　　與流體的質(zhì)量成正比的力被稱為質(zhì)量力。對于不可壓縮流體作定常流動(dòng)，當(dāng)忽略質(zhì)量力時(shí)，流體的流動(dòng)速度和壓強(qiáng)也存在一定的關(guān)系，用伯努利方程描述如下：</p><p>　　+ ρ =

77、 （2.2）</p><p>　　式中： P —流體靜壓力；</p><p><b>　　V —流體流速；</b></p><p><b>　　—總壓。</b></p><p>　　若將該方程用到圖2.1所示的兩個(gè)截面上，可表示為：</p><p>

78、;　　+ = + （2.3）</p><p>　　由式（2.3），在流動(dòng)過程中，對于理想不可壓縮流體作定常流動(dòng)時(shí)忽略其質(zhì)量力，其總壓不變。同樣單位體積流體的動(dòng)能（）和流體所具有的壓力能（P）之和保持不變即總機(jī)械能不變，即能量是守恒的。由上式可知,流速越高、動(dòng)能越大，壓力能越?。环粗嗳?。</p><p>　　2.1.3 粘性流基礎(chǔ)</p&g

79、t;<p>　　1）層流、湍流和雷諾數(shù)</p><p>　　流體分層流動(dòng)，相鄰兩層流體間只作相對滑動(dòng)，流層間沒有橫向混雜，這種流動(dòng)狀態(tài)叫做層流。</p><p>　　當(dāng)流體流速超過某一數(shù)值時(shí)，流體不再保持分層流動(dòng)，而可能向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，各個(gè)流層將混淆起來，并有可能出現(xiàn)渦旋，這種流動(dòng)狀態(tài)叫湍流。流體作湍流時(shí)所消耗的能量比層流多。</p><p>　　介于

80、層流與湍流間的流動(dòng)狀態(tài)很不穩(wěn)定,稱為過渡流動(dòng)。</p><p>　　雷諾通過大量實(shí)驗(yàn)和理論分析表明，流體運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)不僅和速度有關(guān)，而且還與流體的性質(zhì)、管徑的大小等有關(guān)。發(fā)現(xiàn)決定流態(tài)的是下列組合而成的判據(jù)數(shù),即雷諾數(shù)：</p><p>　　Re= （2.4）</p><p>　　式中： —圓管橫截面上流體的

81、平均速度，m/s；</p><p>　　l —圓管直徑，又稱特征長度，m；</p><p>　　μ —流體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)，/s。</p><p>　　我們把層流變?yōu)橥牧鞯呐R界雷諾數(shù)用ReL 表示，稱上臨界雷諾數(shù)；由湍流變?yōu)閷恿鞯呐R界雷諾數(shù)用Re L’ 表示，稱下臨界雷諾數(shù)，且ReL ＞Re L’ 。</p><p>　　因而用雷諾數(shù)來判斷流動(dòng)

82、狀態(tài)時(shí)，有三種情況：</p><p>　　(1)當(dāng)Re＜ReL’時(shí)，流動(dòng)為層流狀態(tài)；</p><p>　　(2)當(dāng)Re＞ ReL 時(shí)，流動(dòng)為湍流狀態(tài)；</p><p>　　(3)當(dāng)ReL’ ＜Re＜ ReL ，流動(dòng)為不穩(wěn)定狀態(tài)，既可能是層流也可能是湍流，任何擾動(dòng)都能使之破壞。</p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用中，臨界雷諾數(shù)往往采用Re '

83、; L ，因?yàn)槿袅鲃?dòng)處于過渡狀態(tài)時(shí)，一般也湍流來考慮。</p><p><b>　　2）附面層</b></p><p>　　雷諾數(shù)Re=慣性力/粘性力。當(dāng)雷諾數(shù)很大時(shí)說明慣性力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粘性力，此時(shí)流體粘性很小，流速很大。在處理這類問題時(shí)，為使問題得到簡化往往只考慮慣性力而忽略粘性力的作用。但當(dāng)流體以較大的雷諾數(shù)流經(jīng)物體時(shí)，雖然流體的粘性很小，但物體的壁面附近的流場出現(xiàn)

84、一個(gè)速度變化很快的薄層，使得在壁面法向方向上卻存在很大的速度梯度，表現(xiàn)出很大的粘性剪切力，此粘性力能達(dá)到和慣性力具有相同的數(shù)量級(jí)，在這種情況下考慮慣性力的同時(shí)需要考慮粘性力。當(dāng) Re>>1，流體繞過物體時(shí)在其壁面附近存在有受流體粘性影響很大的薄層，稱為邊界層。</p><p>　　由前述可知：粘性不可壓縮流體流經(jīng)平板結(jié)構(gòu)的物體時(shí)，在邊界層沿x方向的速度 不發(fā)生變化，根據(jù)前文所介紹的伯努利方程可知邊界層

85、處的壓強(qiáng)也不變化。而當(dāng)物體表面是曲面，壓強(qiáng)隨著邊界層沿x方向的速度的變化而變化，使得邊界層也相應(yīng)改變，因此當(dāng)流體流經(jīng)曲面時(shí)會(huì)對邊界層內(nèi)部的流場產(chǎn)生重要的影響。附面層內(nèi)同樣存在兩種流態(tài)，即層流附面層和湍流附面層。在層流附面層和湍流附面層之間為過渡附面層，如圖2.2所示。在相同雷諾數(shù)下，湍流附面層厚度比層流的大，湍流附面層的厚度沿流動(dòng)方向比層流附面層增加得快。在湍流附面層內(nèi)，緊靠物體表面總是存在著一層極薄的粘性底層。在粘性底層內(nèi)速度梯度極大

86、。判別流態(tài)的準(zhǔn)則仍然是雷諾數(shù)。</p><p>　　圖 2.2 附面層內(nèi)的不同流態(tài)</p><p>　　2.2 汽車的氣動(dòng)力與氣動(dòng)力矩</p><p>　　汽車在行駛過程中，除了受到來自地面對輪胎的附著力以外，還受到其周圍氣流的氣動(dòng)力作用，氣流的作用主要產(chǎn)生的是阻力和升力，當(dāng)有側(cè)風(fēng)存在時(shí)，由于汽車橫擺角β的存在，汽車還將受到一個(gè)側(cè)向力。這三個(gè)氣動(dòng)力的合力在汽車的作用

87、點(diǎn)稱為風(fēng)壓中心(Center of Pressure)，記作C.P。將氣動(dòng)力的合力沿汽車坐標(biāo)系分解為三個(gè)力和三個(gè)力矩，統(tǒng)稱為六分力，它們決定了汽車總的氣動(dòng)力矢量。六分力的大小及關(guān)系見表2.1。</p><p>　　表2.1 氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩及系數(shù)</p><p>　　表中，ρ —空氣密度；</p><p>　　—汽車與空氣的相對速度，即來流速度；</p>

88、<p>　　S—汽車的迎風(fēng)投影面積，也稱正面面積；</p><p>　　l —汽車的特征長度，如軸距。</p><p><b>　　1）氣動(dòng)阻力</b></p><p>　　氣動(dòng)阻力對汽車的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性有著直接的影響。隨著能源問題的日益突出，汽車的高速化以及公路運(yùn)輸比重的不斷增加，減少氣動(dòng)阻力以提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性也變得越來

89、越受關(guān)注。在汽車的六個(gè)氣動(dòng)分力中，氣動(dòng)阻力的構(gòu)成和影響因素最復(fù)雜，也是汽車空氣動(dòng)力學(xué)目前研究的重要內(nèi)容之一。</p><p>　　氣動(dòng)阻力由壓差阻力、摩擦阻力、誘導(dǎo)阻力、干涉阻力和內(nèi)流阻力5 部分組成,其方向與汽車運(yùn)動(dòng)方向相反。壓差阻力--作用在汽車外形表面上的沿汽車行駛方向的氣動(dòng)力稱為壓差阻力，它是氣動(dòng)阻力的主要組成部分。</p><p>　　壓差阻力是由于空氣在運(yùn)動(dòng)過程中的粘性在汽車車

90、身前后產(chǎn)生壓力差而形成的阻力，約占汽車總氣動(dòng)阻力的50%-65%。</p><p>　　摩擦阻力--汽車的摩擦阻力是由于空氣的粘性作用使得空氣與汽車車身面產(chǎn)生摩擦而形成的阻力,約占汽車總氣動(dòng)阻力的6%-11%。</p><p>　　誘導(dǎo)阻力--誘導(dǎo)阻力是由車身附著渦誘導(dǎo)而成的。約占汽車總氣動(dòng)阻力的8%-15%。干涉阻力--干涉阻力即汽車外表面上的各附件和孔眼、凹槽及縫隙所引起的流干涉而導(dǎo)致

91、的阻力,約占汽車總氣動(dòng)阻力的5％—16％。</p><p>　　內(nèi)流阻力--內(nèi)流阻力是指由汽車制動(dòng)器冷卻氣流、發(fā)動(dòng)機(jī)、空調(diào)以及駕駛室通風(fēng)氣流引起的阻力。這些氣流通過氣流進(jìn)出口的壓力差或風(fēng)扇對外部氣流加以利用。在流動(dòng)的過程中這些氣流會(huì)導(dǎo)致內(nèi)流阻力造成車輛較大的能量損失,約占汽車總氣動(dòng)阻力的10%-18%。</p><p>　　由上可知，減小汽車的形狀阻力在車身設(shè)計(jì)時(shí)具有非常重要的意義，這就要

92、求對車身外形進(jìn)行“流線形”設(shè)計(jì)。車身長、寬、高基本尺寸以及它們的最佳比例關(guān)系也直接影響了車輛的空氣阻力系數(shù)。實(shí)踐證明，車身越長，越寬，越低，空氣阻力越小。但是除了對空氣動(dòng)力特性的基本要求，還需要進(jìn)行更全面地考慮包括交通法規(guī)、造型和結(jié)構(gòu)上的要求、舒適性、乘坐空間等因素，不能單純地對車進(jìn)行增加長度、增加寬度、減低高度的改進(jìn)。所以在進(jìn)行車身設(shè)計(jì)時(shí)要協(xié)調(diào)相互之間的關(guān)系，全面綜合地對各因素進(jìn)行分析，最終得到最佳的設(shè)計(jì)效果。</p>

93、<p><b>　　2）氣動(dòng)升力</b></p><p>　　氣動(dòng)升力指的是作用在汽車垂直方向上的氣動(dòng)力，與汽車的行駛方向垂直。氣動(dòng)升力的大小與來流速度的平方、汽車的迎風(fēng)面積以及氣動(dòng)升力系數(shù)成正比，方向與汽車重力方向相反。它直接影響 汽車的操縱穩(wěn)定性和動(dòng)力性，同時(shí)也間接地影響燃油經(jīng)濟(jì)性。</p><p>　　汽車特別是流線型較好的轎車，其外形是接近于有限翼展

94、翼型的鈍形體。當(dāng)空氣流經(jīng)汽車上下表面時(shí)，空氣質(zhì)點(diǎn)流經(jīng)上表面的路程比下表面的路程長，而流經(jīng)后的空氣質(zhì)點(diǎn)又須同時(shí)在汽車后部匯合，因此流經(jīng)汽車車身上表面的空氣質(zhì)點(diǎn)速度比流經(jīng)下表面的空氣質(zhì)點(diǎn)速度快。根據(jù)伯努利定理可知，汽車車身上部會(huì)形成低壓區(qū)，而汽車車身下部會(huì)形成高壓區(qū)，導(dǎo)致汽車上下部產(chǎn)生壓差。這也就是汽車產(chǎn)生氣動(dòng)升力的基本原理。</p><p>　　由于氣動(dòng)升力會(huì)降低輪胎的附著力從而影響汽車的驅(qū)動(dòng)性、操穩(wěn)性，因此，在進(jìn)

95、行車身空氣動(dòng)力造型設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量減小氣動(dòng)升力值，甚至為負(fù)值更為理想。</p><p><b>　　3）氣動(dòng)側(cè)力</b></p><p>　　嚴(yán)格地說，當(dāng)氣流與汽車的縱對稱面平行時(shí)，是不存在氣動(dòng)側(cè)力的。但在汽車實(shí)際行駛中，氣流不會(huì)總是與汽車的縱對稱面平行，當(dāng)氣流與汽車存在橫偏角時(shí)，汽車都會(huì)產(chǎn)生氣動(dòng)側(cè)力。氣動(dòng)側(cè)力是橫擺角β引起的結(jié)果，所以對每一個(gè)具體的汽車形狀，究氣動(dòng)側(cè)力

96、與橫擺角的關(guān)系是十分必要的。氣動(dòng)側(cè)力系數(shù)主要是指汽車外形對側(cè)風(fēng)的敏感性。在汽車造型初期，確定汽車的氣動(dòng)側(cè)力系數(shù)是非常重要的。</p><p><b>　　4）橫擺氣動(dòng)力矩</b></p><p>　　汽車橫擺氣動(dòng)力矩與橫擺角是成正比關(guān)系，且流線型越好的車型其橫擺氣動(dòng)力矩系數(shù)CN 隨橫擺角β變化越大。因?yàn)閺目諝鈩?dòng)力學(xué)的角度來看，汽車的流線型都是沿汽車的縱向軸線方向，這

97、個(gè)方向上的任何偏離都會(huì)使氣動(dòng)力的影響迅速增加。而流線型較差的，氣流的這種側(cè)風(fēng)敏感性就低得多。</p><p><b>　　5）縱傾氣動(dòng)力矩</b></p><p>　　汽車的縱傾氣動(dòng)力矩系數(shù)不僅與汽車橫擺角β有關(guān)，而且還與汽車的縱傾角α有關(guān)。事實(shí)上，汽車車身外表各處，特別是底部的實(shí)際壓力分布對縱傾角非常敏感的?？v傾氣動(dòng)力的大小實(shí)際上取決于風(fēng)壓中心的相對位置。因?yàn)轱L(fēng)壓中

98、心的相對位置會(huì)隨著縱傾角α的改變而漂移，尤其是在汽車的底部，流線型越好，風(fēng)壓中心隨縱傾角的變化越大，但縱傾角α 任何變化都會(huì)使得風(fēng)壓中心前移。</p><p><b>　　6）側(cè)傾氣動(dòng)力矩</b></p><p>　　汽車的總質(zhì)量是由懸掛質(zhì)量和非懸掛質(zhì)量組成的。懸掛質(zhì)量是通過懸架與非懸掛質(zhì)量連接的，并且可以與非懸掛質(zhì)量產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)。通常汽車車身是懸掛質(zhì)量，底盤是非懸掛

99、質(zhì)量。當(dāng)汽車車身上作用有側(cè)向氣動(dòng)力的時(shí)候，汽車車身就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)側(cè)傾氣動(dòng)力矩，這個(gè)側(cè)傾力矩會(huì)使得汽車車身相對于底盤產(chǎn)生側(cè)傾運(yùn)動(dòng)，這個(gè)側(cè)傾運(yùn)動(dòng)不是繞汽車的重心，而是繞汽車的側(cè)傾軸。</p><p>　　2.3 氣動(dòng)力對汽車性能的影響</p><p>　　2.3.1 氣動(dòng)力對汽車動(dòng)力性的影響</p><p>　　汽車動(dòng)力性是指汽車在良好的路面上直線行駛時(shí)由汽車受到的縱向外

100、力決定所能達(dá)到的平均行駛速度。汽車動(dòng)力性的有三大評(píng)價(jià)指標(biāo)，即最高車速、加速時(shí)間和最大爬坡度。</p><p>　　1)氣動(dòng)力對最高車速的影響</p><p>　　汽車最高車速系指用直接檔(或超速檔)在良好的水平路面上所能達(dá)到的最高速度。此時(shí)無加速阻力和爬坡阻力，故汽車牽引力只需克服氣動(dòng)阻力和滾動(dòng)阻力。即滿足以下關(guān)系式：</p><p><b>　　（2.5

101、）</b></p><p>　　在其他因素不變的條件下，汽車具有最大牽引力時(shí)，可獲得最高車速，即：</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　由上式可以看出，除了氣動(dòng)阻力，汽車的最高車速與氣動(dòng)升力也密切相關(guān)。在和G數(shù)值不變的情況下，最高車速隨著氣動(dòng)阻力系數(shù)的減小而升高，同樣最高車速隨著氣動(dòng)升力系數(shù)的提高而升

102、高。但氣動(dòng)升力是一個(gè)向上的作用力，它的提高會(huì)使得路面與輪胎之間的附著力減小，從而導(dǎo)致汽車實(shí)際牽引力減小，這會(huì)直接影響汽車的操縱穩(wěn)定性及行駛安全性，因此實(shí)際中通常不采用提高氣動(dòng)升力系數(shù)來提高最高車速的方法。</p><p>　　2)氣動(dòng)力對加速度的影響</p><p>　　汽車的加速度或加速時(shí)間也是衡量汽車動(dòng)力性能的一個(gè)重要指標(biāo)，對高級(jí)轎車、跑車、賽車而言，尤為如此。</p>

103、<p>　　為了分析氣動(dòng)力對汽車加速度的影響，先來看看汽車的功率平衡方程式。由于是考慮汽車的最大加速度，因而應(yīng)是在乎直的路面上，汽車行駛阻力所消的功率(kw)為:</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p><b>　　汽車加速度為：</b></p><p><b>　?。?.8）&

104、lt;/b></p><p>　　由公式（2.8）可知，汽車的加速性能不僅取決于汽車的傳動(dòng)效率、質(zhì)量、車速，還取決于汽車的后備功率。一般來說，氣動(dòng)阻力增加會(huì)降低汽車的加速性能，而氣動(dòng)升力的增加會(huì)提高汽車的加速性能。通常我們會(huì)通過降低氣動(dòng)阻力來提高車的加速性能。與最高車速理由相似，不采用提高氣動(dòng)升力來提高汽車加速度的辦法。</p><p>　　3) 氣動(dòng)力對最大爬坡度的影響</p

105、><p>　　當(dāng)達(dá)到最大爬坡度時(shí)，汽車的加速度dv/dt=0，則汽車牽引力只需克服滾動(dòng)阻力、氣動(dòng)阻力和爬坡阻力，即：</p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　式中：θ 為坡度角，通常較小，可認(rèn)為：cosθ =1，sinθ = tanθ = i，i為爬坡度：</p><p><b>　?。?/p>

106、2.10）</b></p><p>　　由式（2.10）可知，最大爬坡度不僅與汽車質(zhì)量、速度、車輪滾動(dòng)摩擦系數(shù)有關(guān)，而且還與氣動(dòng)阻力，氣動(dòng)升力有關(guān)。</p><p>　　2.3.2 氣動(dòng)力對燃油經(jīng)濟(jì)性的影響</p><p>　　1）氣動(dòng)阻力與燃油經(jīng)濟(jì)性</p><p>　　研究汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性時(shí)，其中最簡單、最基本的燃油消耗量的計(jì)

107、算方法就是汽車等速百公里油耗。在汽車空氣動(dòng)力學(xué)中，通常只考慮等速百公里油耗。即：</p><p><b>　　（2.11）</b></p><p>　　式中：—100 km=m；</p><p>　　—發(fā)動(dòng)機(jī)相應(yīng)工況的有效油耗率；</p><p>　　γ—燃油的重度；汽油可取為6.96-7.15 N / L，柴油可取7.