轻卡外流场数值模拟及货箱优化设计

程华扬　薛铁龙　张代胜

摘 要：对某轻卡进行外流场的数值模拟，通过对模型的流场特性的分析，研究气动阻力产生的主要原因。将车厢高度和车厢与驾驶舱距离作为两个影响因子，采用拉丁超立方设计方法和最小二乘法创建二阶响应面模型，利用混合整型优化法进行参数优化，优化后与原型设计相比，整车气动阻力明显减小，表明该方法能有效地提高整车空气动力学性能和CFD优化效率。

关键词：轻卡；数值模拟；气动阻力；性能优化

中图分类号：U461.1 文献标识码：A 文章编号：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.

轻卡是指车型分类中的载货车中最大设计总质量不大于3.5吨的车型，其于上世纪九十年代进入快速发展时期，产量和产品品质不断提高，出口数量不断增加，我国现已成为轻型卡车制造大国。但是在产品销量快速增长的同时，中国轻卡自身的质量问题也逐渐凸显，产品的技术含量和竞争力不够充分，其燃油经济型、发动机性能、制动系统、排放、噪声问题十分明显和普遍。而对轻卡的外流场进行优化，既能减小其行驶空气阻力，提高燃油经济性，使其在高速行驶时更加稳定，又能减小其在高速行驶时的空气噪声，对提升产品质量以及核心竞争力有着重要意义。

目前国内外对于轻型卡车外流场优化的研究极少，一方面是由于对于轻卡外流场优化的不重视，另一方面也是因为轻卡驾驶室流场与尾箱流场相互作用，导致其周围流场分布十分复杂，研究难度较大。

5 结论

（1）通过对轻卡外流场的数值模拟计算，分析了其外流场特性和气动阻力产生原因，而货箱造型对整车气动阻力影响很大。

（2）将货箱高度和货箱与驾驶舱距离定义为设计变量，通过实验设计选取样本点建立响应面模型并进行优化，其精度较高，可以替代实际模型的仿真计算分析，提高计算效率。

（3）对于使气动阻力系数最小的目标来说，货箱的高度越小越好，在满足使用设计要求的前提下，应尽可能降低其高度。而对于货箱与驾驶舱之间的距离，则需要保持一定的间隙。

参考文献：

[1]宋小文，胡树根，张伟.圆顶车厢载货车外流场数值模拟及附加装置优化设计[J].汽车工程.2007，29（9）：796-799.

[2]杨永柏，王靖宇，胡兴军.皮卡车外流场的数值模拟[J].吉林大学学报（工学版）.2007，37（6）：1236-1241.

[3]熊超强，臧孟炎，范秦寅.低阻力汽车外流场的数值模拟及其误差分析[J].汽车工程.2012，34（1）： 36-45.

[4]杨胜，张扬军，涂尚荣，等汽车外部复杂流场计算的湍流模型比较[J].汽车工程.2003，25（4）：322-325.

[5]钟毅芳，陈柏鸿. 多学科综合优化设计原理与方法[M].武汉：华中科技大学出版社，2006.

[6]邓乾旺，文文.基于拉丁超立方抽样的薄板装配误差分析[J].中国机械工程.2012.23（8）： 947-951.

[7]陈立周.稳健设计[M].北京：机械工业出版社，2000.

[8]王海亮，林忠钦，金先龙.基于响应面模型的薄壁构件耐撞性优化设计[J].应用力学学报.2003.20（3）：61-65.

[9]韩明红，邓家禔.面向工程的优化算法性能实验研究[J].中国机械工程.2007，18（12）：1460-1464.endprint

摘 要：对某轻卡进行外流场的数值模拟，通过对模型的流场特性的分析，研究气动阻力产生的主要原因。将车厢高度和车厢与驾驶舱距离作为两个影响因子，采用拉丁超立方设计方法和最小二乘法创建二阶响应面模型，利用混合整型优化法进行参数优化，优化后与原型设计相比，整车气动阻力明显减小，表明该方法能有效地提高整车空气动力学性能和CFD优化效率。

关键词：轻卡；数值模拟；气动阻力；性能优化

中图分类号：U461.1 文献标识码：A 文章编号：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.

轻卡是指车型分类中的载货车中最大设计总质量不大于3.5吨的车型，其于上世纪九十年代进入快速发展时期，产量和产品品质不断提高，出口数量不断增加，我国现已成为轻型卡车制造大国。但是在产品销量快速增长的同时，中国轻卡自身的质量问题也逐渐凸显，产品的技术含量和竞争力不够充分，其燃油经济型、发动机性能、制动系统、排放、噪声问题十分明显和普遍。而对轻卡的外流场进行优化，既能减小其行驶空气阻力，提高燃油经济性，使其在高速行驶时更加稳定，又能减小其在高速行驶时的空气噪声，对提升产品质量以及核心竞争力有着重要意义。

目前国内外对于轻型卡车外流场优化的研究极少，一方面是由于对于轻卡外流场优化的不重视，另一方面也是因为轻卡驾驶室流场与尾箱流场相互作用，导致其周围流场分布十分复杂，研究难度较大。

5 结论

（1）通过对轻卡外流场的数值模拟计算，分析了其外流场特性和气动阻力产生原因，而货箱造型对整车气动阻力影响很大。

（2）将货箱高度和货箱与驾驶舱距离定义为设计变量，通过实验设计选取样本点建立响应面模型并进行优化，其精度较高，可以替代实际模型的仿真计算分析，提高计算效率。

（3）对于使气动阻力系数最小的目标来说，货箱的高度越小越好，在满足使用设计要求的前提下，应尽可能降低其高度。而对于货箱与驾驶舱之间的距离，则需要保持一定的间隙。

参考文献：

[1]宋小文，胡树根，张伟.圆顶车厢载货车外流场数值模拟及附加装置优化设计[J].汽车工程.2007，29（9）：796-799.

[2]杨永柏，王靖宇，胡兴军.皮卡车外流场的数值模拟[J].吉林大学学报（工学版）.2007，37（6）：1236-1241.

[3]熊超强，臧孟炎，范秦寅.低阻力汽车外流场的数值模拟及其误差分析[J].汽车工程.2012，34（1）： 36-45.

[4]杨胜，张扬军，涂尚荣，等汽车外部复杂流场计算的湍流模型比较[J].汽车工程.2003，25（4）：322-325.

[5]钟毅芳，陈柏鸿. 多学科综合优化设计原理与方法[M].武汉：华中科技大学出版社，2006.

[6]邓乾旺，文文.基于拉丁超立方抽样的薄板装配误差分析[J].中国机械工程.2012.23（8）： 947-951.

[7]陈立周.稳健设计[M].北京：机械工业出版社，2000.

[8]王海亮，林忠钦，金先龙.基于响应面模型的薄壁构件耐撞性优化设计[J].应用力学学报.2003.20（3）：61-65.

[9]韩明红，邓家禔.面向工程的优化算法性能实验研究[J].中国机械工程.2007，18（12）：1460-1464.endprint

摘 要：对某轻卡进行外流场的数值模拟，通过对模型的流场特性的分析，研究气动阻力产生的主要原因。将车厢高度和车厢与驾驶舱距离作为两个影响因子，采用拉丁超立方设计方法和最小二乘法创建二阶响应面模型，利用混合整型优化法进行参数优化，优化后与原型设计相比，整车气动阻力明显减小，表明该方法能有效地提高整车空气动力学性能和CFD优化效率。

关键词：轻卡；数值模拟；气动阻力；性能优化

中图分类号：U461.1 文献标识码：A 文章编号：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.

轻卡是指车型分类中的载货车中最大设计总质量不大于3.5吨的车型，其于上世纪九十年代进入快速发展时期，产量和产品品质不断提高，出口数量不断增加，我国现已成为轻型卡车制造大国。但是在产品销量快速增长的同时，中国轻卡自身的质量问题也逐渐凸显，产品的技术含量和竞争力不够充分，其燃油经济型、发动机性能、制动系统、排放、噪声问题十分明显和普遍。而对轻卡的外流场进行优化，既能减小其行驶空气阻力，提高燃油经济性，使其在高速行驶时更加稳定，又能减小其在高速行驶时的空气噪声，对提升产品质量以及核心竞争力有着重要意义。

目前国内外对于轻型卡车外流场优化的研究极少，一方面是由于对于轻卡外流场优化的不重视，另一方面也是因为轻卡驾驶室流场与尾箱流场相互作用，导致其周围流场分布十分复杂，研究难度较大。

5 结论

（1）通过对轻卡外流场的数值模拟计算，分析了其外流场特性和气动阻力产生原因，而货箱造型对整车气动阻力影响很大。

（2）将货箱高度和货箱与驾驶舱距离定义为设计变量，通过实验设计选取样本点建立响应面模型并进行优化，其精度较高，可以替代实际模型的仿真计算分析，提高计算效率。

（3）对于使气动阻力系数最小的目标来说，货箱的高度越小越好，在满足使用设计要求的前提下，应尽可能降低其高度。而对于货箱与驾驶舱之间的距离，则需要保持一定的间隙。

参考文献：

[1]宋小文，胡树根，张伟.圆顶车厢载货车外流场数值模拟及附加装置优化设计[J].汽车工程.2007，29（9）：796-799.

[2]杨永柏，王靖宇，胡兴军.皮卡车外流场的数值模拟[J].吉林大学学报（工学版）.2007，37（6）：1236-1241.

[3]熊超强，臧孟炎，范秦寅.低阻力汽车外流场的数值模拟及其误差分析[J].汽车工程.2012，34（1）： 36-45.

[4]杨胜，张扬军，涂尚荣，等汽车外部复杂流场计算的湍流模型比较[J].汽车工程.2003，25（4）：322-325.

[5]钟毅芳，陈柏鸿. 多学科综合优化设计原理与方法[M].武汉：华中科技大学出版社，2006.

[6]邓乾旺，文文.基于拉丁超立方抽样的薄板装配误差分析[J].中国机械工程.2012.23（8）： 947-951.

[7]陈立周.稳健设计[M].北京：机械工业出版社，2000.

[8]王海亮，林忠钦，金先龙.基于响应面模型的薄壁构件耐撞性优化设计[J].应用力学学报.2003.20（3）：61-65.

[9]韩明红，邓家禔.面向工程的优化算法性能实验研究[J].中国机械工程.2007，18（12）：1460-1464.endprint