基于试验设计的某MPV整车外气动特性优化

彭婧+李小梅+张光亚+王伟

摘要： 以某型多用途车（MultiPurpose Vehicles，MPV）为研究对象，对整车外气动特性优化模型进行参数化数值仿真.基于结合试验设计方法和优化算法，与原模型相比，最终优化模型的仿真结果可使目标车型风阻因数降低4.69%.另外，基于试验设计分析后视镜造型对整车外气动特性的影响，后视镜的优化仿真结果可使整车风阻因数降低1.04%.

关键词： 多用途车； 风阻系数； 样本设计； 网格变形； 近似模拟； 后视镜设计

中图分类号： U461.1文献标志码： B

Abstract： Taking a type of MultiPurpose Vehicles （MPV） as the research object， the parametric numerical simulation is performed on an aerodynamic characteristics optimization model. Based on design of experiment method and optimization algorithm， compared with the base model， the drag factor of the final optimization model is reduced by 4.69%. In addition， the aerodynamic influence of rearview mirror on the aerodynamic characteristics of whole vehicle is studied on the basis of design of experiment method， and the optimization simulation results of rearview mirror indicate that the drag factor of whole vehicle is reduced by 1.04%.

Key words： multipurpose vehicle； drag coefficient； sample design； mesh morph； approximate simulation； rearview mirror design

0引言

空气动力学指标是汽车性能最重要的参数之一，其对汽车的动力性、经济性、操纵稳定性等有极其重要的影响.在汽车运行时，空气会对车身产生气动阻力，并且阻力大小与汽车运行速度的平方成正比.CFD技术的发展使得仿真手段可部分替代风洞试验，可通过CFD技术快速评价汽车外气动特性，从而减少风洞试验的次数.[1]将CFD技术与优化设计相结合，能大大提高汽车外气动造型优化效率，对汽车的早期设计很有帮助.

以某型多用途车（MultiPurpose Vehicle， MPV）为研究对象，基于整车外气动特性数值仿真模型，结合试验设计及优化算法分别对整车参数及后视镜参数展开优化研究.首先选取前窗角、前舱角、前车体长度、格栅角、侧窗角、顶盖弧度、后车体长度、后窗角、后侧鼓角、尾翼角共计10个外气动造型参数[27]，通过首轮试验设计获得10个参数对风阻系数的空间响应模型的近似模拟；通过多参数全局寻优算法，获取最优风阻系数的参数组合.在首轮试验设计优化方案的基础上，优选出参数灵敏度较大的造型参数进行第二轮试验设计，并参考首轮试验设计过程，获得最优参数组合.最优参数组合较初始模型可以实现4.69%的风阻系数优化.此外，选取4个影响后视镜造型的主要参数，基于试验设计展开研究，优化后视镜较初始模型可以实现1.04%的风阻系数优化.

1初始整车外气动分析

为确保仿真模型的准确性，首先对原始车型进行建模分析，并通过试验对比，确保整体仿真模型不会因模型简化、网格等因素带来太大的误差.整车分析示意见图1.

初始模型的分析流程主要包括以下几个步骤.

（1）简化模型预分析.预分析模型不关注局部（如格栅、发动机舱、底盘等）特征，只保留大的造型特征，通过对预分析的模型造型进行改变、试算，初步得到影响风阻系数的大灵敏度造型参数.

（2）整车详细建模.对包含格栅、发动机舱、底盘等局部特征的整车模型进行建模，在规模允许的情况下尽可能保留对风阻系数有影响的外气动造型特征，从而确保仿真模型的准确性.对于发动机舱内的冷凝器和散热器，因存在大量格栅构造，若在整车模型中全部建模，会导致网格规模大大增加，因此采用多孔介质模型进行近似模拟.通过实验手段获取冷凝器及散热器的PV特性曲线，再通过FLUENT中的多孔介质模型进行简化模拟.

（3）网格无关性分析及试验比对.对车速为30 m/s的整车模型进行分析，并通过网格逐步加密的方式，对不同网格规模的整车模型进行分析，在确保网格无关性的基础上尽可能地减小分析规模.

将仿真分析结果与试验结果进行比对，试验与仿真的风阻和风阻系数值的结果误差在3%以下，表明整体的简化、网格划分方案可以滿足精度要求.

2试验设计

2.1试验设计一般步骤

试验设计的应用一般分为3个步骤：试验计划（取样）、执行试验（计算）和结果分析（优化）.

试验设计有多种取样方法，常用取样方法的说明[8]见表1.

名称说明全因子设计为每个因子指定任意水平数并研究所有因子的所有组合部分因子设计取全因子设计中的部分样本进行试验（通常为1/2， 1/4等），包括2水平、3水平和混合水平组合正交数组部分因子试验的一种，通过仔细构造试验方案，保证因子的正交性（整齐可比和均匀分散）拉丁超立方设计每个因子的水平等于点数，并进行随机组合最优拉丁超立方设计使传统拉丁超立方法生成的抽样点更加均匀