理想车身气动造型研究与F1赛车空气动力学

1.1 课题来源与研究内容及意义
本论文是湖南省重点资助项目“汽车高速气动特性优化设计平台构建与应用” 的子课题。该子课题参照翼型绕流的物理特性，运用非均匀有理 B 样条理论拟合 出基本理想基本形体纵向截面的几何弯度曲线，在满足汽车车身气动六分力要求 的条件下， 采用优化设计方法确定了一个符合总布置要求的理想低阻流线形车身。 本论文主要研究内容如下： 1) 从汽车气动特性原理的角度分析了现代车身气动造型的各个发展阶段； 2) 本论文是在华南理工大学黄向东教授所提理论的基础上，结合了 NURBS 曲线曲面理论及细长体理论的前提下，参考了车身设计相关经验参数的同时，提 出了一种较为合理的流线形体纵对称面的二维截面流线形曲线。同时根据实用约 束条件、几何约束条件、力学约束条件，构造出了对称中面的升力系数期望曲线。
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1.2 车身整体优化造型研究概况
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理想车身气动造型研究与 F1 赛车气动特性初探
在运用已确定的解析曲线为形体横截面边界的前提下生成一三维流线形类车身数 字化模型； 3 ）在对该基本形体的气动特性进行了数值模拟的基础上，分析并比较了中面 升力系数的期望曲线与模拟曲线，得出二者有一致的趋势。同时，对该形体的三 维外流场进行了可视化分析； 4) 曲线曲面的理论应用于 F1 赛车车身气动外流场、 前后负升力翼、 地面效应、 赛车超车等气动特性方面的初步研究。 由于高等级公路的发展、汽车车速的提高对汽车的操纵稳定性、安全性、舒 适性提出了越来越高的要求，特别是由于全球能源危机、油价上涨，使得改善汽 车燃油经济性成为汽车技术的重要手段。汽车空气动力特性对汽车的动力性、经 济性和操纵稳定性有着直接的影响，设计空气动力特性良好的流线形车身是提高 上述性质的重要途径，也是本论文研究的意义之所在。
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硕士学位论文
第1章
绪论
汽车车身技术的发展状况反映一个国家的工业水平和完备程度。车身属于汽 车的四大总成之一，但是除了只在整车的总布置受制于汽车的其他总成外，在汽 车车身的设计与制造中要考虑多方面的要求，需要综合运用不同领域的知识，包 括空气动力学、机械工程学、人机工程学、车身总体布置、制造加工工艺学、整 车性能、安全法规、美学等方面。其中主要有三个方面，分别是机械工程学、人 机工程学和空气动力学。机械工程学研究的是如何使汽车能够行使和坚固耐用， 如何安放汽车各个部件，车身结构如何等；人机工程学则研究如何给司机和乘客 留下足够的乘坐空间，提高乘坐舒适性，减少振动等。这两个方面是从内部限制 了车身外形。在现代汽车上，机械工程学和人机工程学都达到了相当高的阶段。 空气动力学是来自汽车外部的约束条件，它主要研究的是汽车的气动特性，其研 究成果不仅直接影响着汽车的动力性、燃油经济性、操纵性、稳定性、舒适性、
理想车身气动造型研究与 F1 赛车气动特性初探

Abstract
With the increasing of vehicle speed, the bad effect of the aerodynamics on the vehicle stability becomes more and more obvious. So many engineers and technologists from auto companies in the world have put much more attention on the research of car body’s styling day by day. Among means of car body’s styling , the technique of reverse design has attracted car aerodynamicist’s eyes. How to apply reverse design technique to the modeling of streamlined car body is mainly investigated in this thesis. On the base of wing profile theory, a streamlined car body that accords with the principles of aerodynamics has been devised. The technique of reverse design are studied and stretched on the foundation of literature related to car body’s styling and wind tunnel testing in this paper. The history of car’s modeling is summarized and the characteristics of car body’s modeling in it’s times are also analyzed from the view of car aerodynamics. Meanwhile ， because of the close relations between any method of car styling and the techniques of curves and surfaces, the theory of NURBS in close touch with car body’s styling is introduced simply. On the basis of the explanation of aerodynamic theory related with a vehicle with a high speed and the interaction between aerodynamic forces and vehicle body, the fundamental requirements of reverse design about streamlined car body are discussed in detail. And the basal steps and parameters that influence the way of reverse design are also interpreted at length. At one time, one streamlined digital car body’s modeling that corresponds to the theory of vehicle aerodynamics. After the numerical simulation of digital car body ,that is to say the simulation of one model named G, the distributions of velocity and pressure along the longitudinal symmetrical surface of the model are researched and the external flow field around the G model are analyzed visually in this paper. The essential factors that impact the aerodynamic behaviors of racing car such as down-force and air-drag are explained profoundly and so do the mechanical connections between above two factors and racing car with a high cornering speed. Contemporarily, the primary computational aided modeling of racing car and the numerical simulation of it’s outer fluid field are deeply explored. Key Words ： Optimum Design ； NURBS ； Streamlined Body ； Curvature ； Negative Lift ；
湖南大学 硕士学位论文 理想车身气动造型研究与F1赛车空气动力学 姓名：郭军朝 申请学位级别：硕士 专业：车辆工程 指导教师：谷正气 20070401
硕士学位论文
摘 要
随着汽车车速，尤其是轿车车速的不断提高，气动力对汽车操纵稳定性能的 不利影响也越来越大，因此汽车车身造型的研究也日益受到各汽车公司工程技术 人员的重视。在汽车车身造型的诸多方法中，优化设计技术得到了汽车空气动力 学研究者的关注。本论文主要研究优化设计技术是如何应用于流线形车身造型设 计的，它在基于翼型剖面理论的基础之上，研究设计提出了一个较为符合气动原 理的流线形车身。 在阅读大量文献和数值模拟分析的基础上，本论文所述优化设计技术的研究 主要是从以下几方面展开。本文首先总结了车身其气动造型的演化历程，并且从 汽车空气动力学的角度分析了各时代车身造型的特点。同时，因为任意一种车身 造型方法与曲线曲面技术绝对不可分，本论文也简要介绍了与车身气动造型有密 切联系的非均匀有理 B 样条理论。 本文在简述普通轿车在高速行驶时所涉及到的气动理论及其对汽车相关性能 影响的基础上，详细论述了流线形车身优化设计的基本条件、优化设计的基本步 骤以及影响车身气动造型优化设计的基本参数，同时设计出一个合乎汽车空气动 力学理论的流线形数字化车身 CAD 模型。在对理想基本形体数字化车身进行数值 模拟分析的前提下，本论文也研究了该车身纵对称中面上的速度、压力的分布， 同时对车身外部绕流也进行了可视化的分析。 本文也从空气动力学的角度深入剖析了影响 F1 赛车气动性能的因素——负 升力和阻力以及二者与赛车高速转弯的力学关系。文中对赛车进行了初步的 CAD 建模 , 对赛车外部绕流也加以深入地分析。 关键词：优化设计；非均匀有理 B 样条；流线形体；弯度；负升力