某款汽车尾翼的结构设计与优化

刘慷慷，李福洋，郭巍

（武汉理工大学汽车工程学院，湖北 武汉 430070）

某款汽车尾翼的结构设计与优化

刘慷慷，李福洋，郭巍*

（武汉理工大学汽车工程学院，湖北 武汉 430070）

我国汽车的保有量增加对汽车的行驶稳定性提出了更高的要求。尾翼的安装会显著改变汽车的气动特性，影响汽车的燃油经济性、操控稳定性等性能,但国内很多汽车尾翼的安装只是为了外观要求，安装的不合理甚至会降低整车的性能。文章中尾翼及整车的气动特性研究采用仿真手段。首先，运用三维画图软件制作尾翼模型，将CFD仿真所必需的各环节集成化，实现模型、网格及数值计算的自动化；其次，用Altair Hyperworks软件分析在在一定行驶条件下，尾翼的强度及变形情况；第三，用fluent进行流体分析，并基于近似模型进行相应优化；最后对优化结果进行分析，得到尾翼的最佳参数。文章进行汽车尾翼的相关研究，一方面为尾翼的设计、安装提供一定的参考，另一方面为减少汽车流体阻力来进行汽车气动特性优化分析。

汽车尾翼；攻角；仿真分析；数值模拟

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-95-04

引言

尾翼作为一种汽车空气动力性部件，可显著影响汽车的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、舒适性等。对于高速行驶的汽车，空气动力特性尤其对燃油经济性和操纵稳定性有重要影响。例如汽车用来克服气动阻力的功率正比于速度的三次方，升力和纵倾力矩对于高速行驶汽车的操纵稳定性有很大的影响。汽车尾翼可以在汽车高速行驶时，使空气阻力形成一个向下的压力，尽量抵消升力，有效控制气流下压力，使风阻系数相应减小，增加汽车的高速行驶稳定性。

谷正气、郭建成等研究了某跑车尾翼外形变化对气动升力的影响，具体研究了攻角、翼面凹坑以及支架形式对尾翼气动性能的影响[1]。容江磊、谷正气等将参数寻优方法与计算流体力学方法结合起来，基于该近似模型对模型气动特性进行优化[2]。范庆明、曹岩等将CFD仿真过程所必须的参数化建模、网格划分以及数值计算集成起来，并由优化器直接驱动集成后的CFD仿真[3]。付强的轿车尾翼间距和攻角的数值风洞研究，基于fluent说明尾翼间隙和攻角对尾翼性能的影响[4]。

本文中以某一款尾翼模型为基础，使用fluent和hyperworks数值模拟计算方法，从尾翼攻角方面研究尾翼攻角变化对气动升力的影响。

1、模型建立

1.1三维模型建立

图1 模型的建立

1.2 流体模型建立

Z方向为来流方向，总长为3.95m，其中翼型前缘距离进口的距离为1.72m，翼型前缘距出口距离为1.97m；X方向总宽为8.0m，翼型处于X方向中间位置，翼型侧面距两边壁面距离皆为3.25m；Y方向总高为3.81m，支撑架底部距地面的高度为2.01m，翼型顶部距顶部封闭面的高度为1.53m。

进口边界命名为 inlet，出口为 outlet，地面为 ground，壁面为计算域侧面和顶面，命名为 wall。

计算域内体网格类型是四面体网格。inlet、outlet、wall、ground 的面网格单元大小皆为0.2，翼型附近的网格进行了加密处理，网格大小为0.04，翼型表面网格大小为0.01，体网格总数为115万。

数值计算选择基于压力求解器，模型选择为Viscous-SST k-omega。边界条件设置如下：inlet 为速度进口，进口速度为 30m/s；outlet 为压力出口；ground 为移动壁面，移动速度与进口处来流速度相同；wall和尾翼都是固定壁面。使用的求解方法为 SIMPLE 算法[5]。

1.3 Altair Hypermesh强度模型建立

1.3.1 创建中层面

利用Hyperworks中的中面抽取功能（Midsurface）进行中面抽取，实现三维实体到几何面的转化。

图2 对实体零件抽取中面

1.3.2 2D网格单元划分

考虑到尾翼各个部件的结构较为简单，形状较为规范，只要用自动网格划分（Automeshing）即可实现网格的划分，单元尺寸选择原则要保证整体单元质量合格，可以减少后续的单元质量检查与编辑的工作量，同时尽量减少单元总量，提高计算效率。

图3 2D网格的自动化分

图4 2D单元质量检查面板

1.3.3 数值模拟

构成设计的数学模型包括目标函数、约束条件。翼型的导流板承受载荷，翼型的支架固定，六个方向的自由度设为零，翼型的腹板由于与地面成的角度较小，因此加载在其水平方向的力较小，且变形和应力主要看导流板的情况，故令加载在其载荷为零[6]。导流板的magnitud是力的大小为35N（根据据空气阻力的公式：F=(1/2)C·ρ·S·V^2 计算。式中：C为空气阻力系数，为0.315；ρ为空气密度，为1.29Kg/m³；S物体迎风面积，为0.192m2；V为物体与空气的相对运动速度，为30m/s），magnitud 大小与施加压力大小的百分比，设置为100000%。

2、结果分析

2.1 流体结果分析

2.1.1 不同尾翼攻角升力、阻力的综合分析

通过对不同攻角的尾翼进行分析得到如下数据：

表1 不同攻角的尾翼的升力、阻力

图5 不同攻角的尾翼的升力、阻力

不同攻角下的尾翼速度与压力不同，下图为本实验选取的攻角下为2.28度尾翼在X方向（X=0处YZ平面）的平面下尾翼的速度分布情况：

图6 2.28尾翼附近的速度分布

图7 6.28尾翼附近的速度分布

从图中可以看出，翼型前缘上侧处为驻点位置，此处压力达到最大，同时速度最小；从驻点沿翼型上侧向后，由于存在正压力梯度，流动速度逐渐增大，压力逐渐减小；从驻点沿翼型下侧向后到压力最小处之间，压力从最大值变为最小值，压力梯度最大，因此前缘下侧位置流动速度达到最大；在翼型下侧后端，压力梯度变为负值，即压力由最小值逐渐恢复，因此流动速度减小。

2.1.2 对于某一点的受力进行说明

在模型中选取五个点分别进行压力、速度分析。

图8 模型选点说明

不同的尾翼攻角对应在相同位置对应不同的速度。尾翼下压力的提供根据上下面风速的不同，根据流体的压强，速度大的位置压强小。根据fluent综合分析结果，6.28°的尾翼攻角提供的下压力最大，在图7中在C点的速度明显比其它尾翼攻角的大，且A、B点的速度小；选点的位置A、B点位于尾翼上方，C点位于尾翼下方，从图中可以看出，相同的尾翼攻角，其上方的速度小对应下方速度就偏大，符合尾翼提供下压力的条件。

图9 A、B、C三点的速度（m/s）分析

图10 D、E两点压力(N)分析（力的方向往下为正）

不同的尾翼攻角对应在相同位置对应不同的压力。根据fluent综合分析结果，6.28°的尾翼攻角提供的下压力最大，在D、E两点，D点位于尾翼上方，E点位于尾翼下方，在图8中可以看出D点的正压力相比其它攻角的尾翼最大，E点的最小；-10.28°的下压力最小，在图中可以看出其E点的压力最小。

2.2 尾翼应力结果分析

2.2.1 不同尾翼攻角综合分析

表2 不同攻角的应力和尾翼

图11 不同尾翼攻角的应力、位移变形图

从图10可以看出，应力大的尾翼其对应位移变形也大。由上图可以看出，-10.28°的尾翼其应力最小，变形量最小，故其强度最好。

不同攻角下的尾翼应力和位移不同，下图为本实验选取的攻角下为2.28度尾翼在X方向（X=0处YZ平面）的平面下尾翼的应力和位移分布情况：

图12 攻角为2.28°的位移云图

由位移云图可以看出，变形最大的是导流板和腹板的中部。导流板最大的位移为0.313mm，腹板最大的位移是0.22mm。导流板受到的变形是向后的，腹板受到的变形是向上的，说明尾翼在受到正面的风力时翼型中部受到的载荷最大，可以在中间设置一块肋板来减轻这种变形。由位移云图可以看出，变形最大的是导流板和腹板的中部。

图13 攻角为2.28°的应力云图

应力云图很形象地反映了尾翼在受到均布载荷后的变化，由应力云图可以看出，在支板与腹板的连接部分为压力最大处，其位置承受横向切力和尾翼自身重力。尾翼在受到载荷后仍然满足强度和刚度性能要求。

2.2.2 相同攻角尾翼的特殊点应力和位移比较

综合的尾翼压力、位移变形图说明整个尾翼的受力情况，不同攻角尾翼对应不同的点的受力情况对分析行驶过程中的汽车尾翼具有重要意义。

图14 不同尾翼攻角的导流板纵向取点变形比较（取点从顶部到底部）

图15 不同尾翼攻角的导流板横向取点变形比较（从中间到两侧）

由图13、14可以看出，不同的尾翼攻角不同的点，其变形量也不同。在导流板纵向取点变形比较中，越靠近顶部其变形量越大，在6.28°的尾翼攻角其变形量最大，对应的应力也最大；在导流板横向取点变形比较中，取的点越靠近导流板中部变形量越大，在-10.28°的尾翼攻角其变形量最小，对应的应力也最小。

3、结论

汽车尾翼的安装能够显著影响汽车的空气动力学特性，从而改善汽车性能尤其是高速操纵稳定性。汽车尾翼以及其他空气动力学装置已经普遍适用于超级跑车和赛车。汽车尾翼的数值计算方法的集成优化研究能够有效减小数值计算计算量缩短优化周期，同时可以为风洞试验提供初始尾翼位置和尾翼的变化范围，对于工程应用具有一定的参考意义。

本文以 CFD 数值方法为主要的研究手段，对单独翼型进行了模拟计算与分析。首先基于HyperWorks对翼型进行强度分析与校核；其次采用数值计算集成方法对单独翼型研究翼型攻角对翼型阻力系数和升力系数的影响；第三分析比较了不同翼型攻角的近似模型差异对尾翼性能的影响；最后通过数值计算得到了尾翼攻角对整车气动特性的影响。通过上述研究得到了以下结论：

（1）翼型攻角对翼型阻力系数和升力系数有较大的影响。总体上随着翼型攻角减小，其阻力系数逐渐减小，但阻力系数减小的速率逐渐变小；翼型的升力系数先逐渐变大，而后又逐渐减小，再逐渐变大。

（2）行驶过程中的汽车尾翼其最大位移变形出现在导流板中部、顶部。

（3）尾翼的安装能够有效影响其旁边的空气流速。在设计空间内，可以通过改变尾翼安装参数，控制尾翼周围的空气流速，在阻力增加较小的情况下，获得一定的下压力。

[1] 谷正气,郭建成等.某跑车尾翼外形变化对气动升力影响的仿真分析.北京理工大学学报,2013.3：248-252.

[2] 容江磊,谷正气等.基于Kriging模型的跑车尾翼断面形状的气动优化.中国机械工程.2011.1.

[3] 范庆明,曹岩等.基于iSIGHT平台翼型气动优化CAD/CFD集成技术研究.机械设计与制造.2011.8.

[4] 付强. 轿车尾翼间距和攻角的数值风洞研究.长春:吉林大学. 2007.

[5] 郑力铭.ANSYS Fluent 15.0 流体计算从入门到精通,北京.电子工业出版社.2015.

[6] 彭世冲.基于HyperWorks的尾翼水平安定面结构优化设计.中航通飞研究院有限公司.2015.10.

Design and optimization of an Automobile rear wing

Liu Kangkang, Li Fuyang, Guo Wei*
( Wuhan university of technology school of automotive engineering, Hubei Wuhan 430070 )

Automobile ownership increased demands on automobile driving stability is higher. Rear wing can change the automobile’s aerodynamic characteristics significantly. It will influence the car's fuel economy, handling stability and other properties, but many rear wing installed just for appearance requirements in the domestic, and rear wing unreasonable installation even reduce the aerodynamic characteristics of the vehicle. Study on aerodynamic characteristics of wing and vehicle in this article by using simulation methods.First of all, using three-dimensional drawing software make a model,integrated each of steps needed to CFD simulation, so as to automated model updating, mesh generation and numerical calculation;Second, analysis under certain driving conditions, rear wing of the strength and deformation by using Altair Hyperworks software; Third, fluid analysis by fluent, and based on the approximate model for optimized; Finally, analysis of the results, and get the best parameters of rear wing.This paper studies automobile rear wing, on one hand, it provides a reference for the installation of Rear wing, on the other hand reduces automobile fluid resistance for optimization analysis of aerodynamic characteristics of the vehicle.

rear wing; attack angle; simulation analysis; numerical simulation

U462.1

A

1671-7988(2016)07-95-04

刘慷慷，就读于武汉理工大学汽车工程学院。

郭巍*，讲师，就职于武汉理工大学汽车工程学院。研究方向：汽车轻量化。基金项目：碳纤维汽车尾翼结构设计与优化(20151049707002)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.030