基于DOE的汽车外后视镜气动减阻优化

2022-06-13蔡祥鹏陈基童俊炜

泉州师范学院学报 2022年2期

蔡祥鹏，陈基，童俊炜

(1.泉州师范学院交通与航海学院，福建泉州 362000;2.东南(福建)汽车工业有限公司，福建福州 350119)

近年来，汽车产业的发展和普及，加剧了能源危机和温室效应对环境的破坏.节能环保是当下汽车产业发展的大方向.一方面，传统燃油汽车安装有尾气处理装置，有效降低了尾气的排放，汽车轻量化技术也趋于成熟，因此，通过降低汽车空气阻力来降低汽车油耗显得越来越重要[1].另一方面，汽车业正在步入以智能化、网联化、电动化、共享化为代表的“新四化”时代[2]，如何通过技术手段提高电动车的续航里程备受关注.研究表明，当汽车的行驶速度超过100 km/h时，气动阻力占总阻力近80%[3-4].对一台续航里程为500 km的纯电动轿车而言，风阻系数每下降0.01，综合工况下续航里程可提升约5 km，相当于减重40 kg的降能耗效果.通用一款掀背车型运用Adjoint方法优化了外后视镜几何造型，通过对优化后的造型进行风洞试验验证，最终获得 8 count的减阻效果[5-6].高淑辉等采用伴随算法对中型客车进行快速识别气动阻力关键造型特征，然后进行关键部位方案改进，减少了风阻[7].不管是针对传统燃油汽车还是新能源汽车，有效降低车辆高速行驶过程中空气阻力已成为汽车行业中的共识.

本研究以某SUV车型造型设计阶段的车外后视镜为研究对象，对后视镜进行形貌变形分析，提出基于DOE的试验优化方法，利用均匀拉丁超立方选点方式对变形网格样本点抽样，并通过STAR-CCM+软件进行整车气动阻力分析，得到最佳减阻方案.最后，通过整车风洞试验对优化方案进行实验验证.

1 建模和仿真

1.1 几何模型

以车外后视镜为研究对象，为了提高计算效率缩短研究周期，采用造型设计阶段三维数模(如图1所示)，模型保留了上车体造型面的细节特征，同时下车体和前保格栅封闭处理，模型中不包括发动机舱部件、底盘部件、进排气系统和雨刮等部件.

1.2 仿真模型

采用STAR-CCM+软件进行仿真建模，模型表面尺寸设定为6 mm，空间离散采用二阶迎风差分格式，体网格采用Trimmer(切割体)网格.设定风洞区域为长60 m，宽20 m，高20 m，如图2所示.设置空气密度为1.184 15 kg/m3，运动粘度为0.000 018 55 Pa·s，车头前方的风洞域入口设为速度入口，风速为100 km/h，风洞的尾部设为压力出口.

图1 整车几何模型Fig.1 Vehicle geometry model

物理模型选用k-ω湍流模型，其边界层参数(y+)值<5，且关注近壁面压力的工况.边界层网格尺寸越小越精确，对后视镜表面压力、捕捉近壁面气流分离分析采用k-ω湍流模型结果会更精确[8].体网格边界层采用6层总厚度为8 mm的边界层，车身近壁面第一层厚度为0.05 mm，空间域体网格三级加密(图3).为了验证仿真有限元模型网格无关性及结果可靠性，以阻力系数作为研究对象，迭代稳定后，取最后1 000步的平均值作为结果，保留小数点到万分位.表1为不同体网格数计算得到的阻力系数，发现网格加密对模型阻力系数有较大影响.随着网格加密，阻力系数结果波动趋势并趋于平缓.当模型体网格数为3 120万时，风阻系数为0.345 2，得到了网格无关性结果，与风洞试验值(0.371 3)存在7.03%误差并稳定下来.同时计算耗费的资源、周期和模型仿真可靠性均有保证.

图2 风洞计算域三维模型图图3 纵向对称截面网格模型Fig.2 3D model of wind tunnel calculation domain Fig.3 Longitudinal symmetrical section mesh model

表1 有限元模型网格无关性验证Tab.1 Verification of mesh independence of finite element model

1.3 仿真计算

仿真结果以整车风阻系数Cd作为参考指标，本次计算迭代步是6 000 步，计算稳定后(残差曲线均小于10-6)，取最后1 000 步的平均值作为最终值，保留到小数点后四位.通过仿真计算可得该车型初始造型的整车风阻系数Cd为0.345 2.从车身表面压力分布云(图4)来看，车辆在高速行驶过程中主要的压力集中在前保区域和后视镜位置(图5).

2 优化分析

2.1 定义设计变量

为减少仿真模型改动缩短优化周期，故选择左后视镜为改型区域，建立计算域变形控制盒子(morphing boxes)，在该计算域内后视镜形貌尺寸可随意变形，如图6所示.

从图5压力云图可以看出,车外后视镜在车辆行驶过程中主要压力集中在后视镜上半部分.为了满足工程上要求造型不失真，以及减少设计变量缩短优化周期的实际需求，本文仅取后视镜上半部分作为形貌变形区域，并选取上轮廓线内侧弧线(MIRROR_UPPER_INNER)、上轮廓线中线(MIRROR_UPPER_MID)、上轮廓线外侧弧线(MIRROR_UPPER_OUTER)以及纵向轮廓线(MIRROR_BACK)与面网格贴合的控制点作为设计变量(图7)，同时设置上轮廓线内侧弧线和上轮廓线外侧弧线仅沿Y向和Z向变化，上轮廓线中线仅沿Z向变化，纵向轮廓线仅沿X向和Z向变化，控制点的变量变化范围为±5 mm(表2).在处理过程中把控制线投影到后视镜线上，则图6控制点的移动相当于移动后视镜线.

图4 车身表面压力分布图5 后视镜表面压力分布Fig.4 Body surface pressure distribution Fig.5 Surface pressure distribution of rearview mirror

图6 左后视镜改型区域图7 设计变量示意图Fig.6 Left rearview mirror modification area Fig.7 Schematic diagram of design variables

表2 设计变量取值范围Tab.2 Design variable value range mm

2.2 定义优化方案

DOE方法的整车空气动力学开发流程中，其取样技术的选择决定了样本点数量和整个设计空间的响应面或代理模型的精度.如取样数目太多就失去了取样的意义，同时会加大CFD计算的时间;如样本点数目太少将失去代表性，反映不了整个设计空间的实际情况.在实际工程应用中，均匀拉丁超立方和正交数组取样较为常用[9-10].拉丁超立方抽样是一种从多元参数分布中近似随机抽样的方法，属于分层抽样技术，它被设计成通过较少迭代次数的抽样，准确地重建输入分布.均匀拉丁超立方取样能取出具有代表性、不重复的初始样本点，以较少的样本点数进行CFD计算.因此采用均匀拉丁超立方抽样分析法(uniform latin hypercube)对表2的4个变量生成20组样本数，执行DOE算法分析自动生成20组形貌变形后的后视镜网格模型，如表3所示.

2.3 优化分析结果

仿真模型中采用STAR-CCM+二次开发宏命令(Macro)分别将表3中20组形貌变形后的左后视镜网格模型自动导入替换原模型，搭建出优化方案对应的计算模型，并进行整车气动阻力仿真分析.每个模型并行72核心，占用内存大小128 G,模型迭代完成计算平均耗时约17.6 h，20组整车气动风阻系数结果如表4所示.

表3 均匀拉丁超立方抽样Tab.3 Uniform Latin hypercube sampling

表4 整车气动阻力系数仿真结果Tab.4 Simulation results of vehicle aerodynamic drag coefficient

相较原车风阻系数0.3452，表4中20组为左后视镜形貌变形基于DOE均匀拉丁方取样后的CFD计算结果，其中CASE13为最优工况，风阻系数降幅达0.001 7(即1.7 counts)，左后视镜表面压力也有下降(图8).CASE13方案和原方案的模型对比图，如图9所示.

图8 优化后车辆表面压力云图Fig.8 Optimized vehicle surface pressure cloud map

图9 优化前后的左后视镜模型Fig.9 Left rearview mirror model before and after optimization

通过数理统计方法量化各设计变量对风阻系数优化目标的敏感性，本次DOE优化过程中选取的4个设计变量对优化气动阻力系数都有明显的作用.如图10所示，在约束变量值范围内，最敏感的是T4(XMB_XZ)，所占的比例达 42.5%;其次是T2(XMU_MID_Z)、T3(XMU_INNER_YZ),所占比例分别为 29.3%和20.8%;T1(XMU_OUTER_YZ)对其气动阻力影响最小，所占的比例为7.4%.故在后视镜的减阻优化工作中应按敏感性程度不同优先选择造型敏感的特征优化.

图10 后视镜设计变量敏感性相关分析图11 吉林大学汽车风洞布置图 Fig.10 Sensitivity correlation analysis of Fig.11 Layout drawing of the automobile rearview mirror design variables wind tunnel of Jilin University

3 实验验证

上述最优工况改型效果在吉林大学汽车风洞实验室进行实车验证.吉林大学汽车风洞为回流式结构，喷口尺寸为2.2 m×4 m 的切角矩形，试验段最高风速为60 m/s，风扇电机功率为1 000 kW，采用边界层控制方法，通过移动带使地面与气流同步运动，消除两者之间的速度差，并在移动带的前端设置边界层吸除装置，避免边界层形成，能够真实地再现汽车底部气流的速度分布特性[3，11-12]，如图11所示.

为验证最优工况实际效果，将变形后的左后视镜网格模型逆向扫描为几何模型，并以此制作后视镜的油泥模型用于替换，以验证两款左后视镜在整车气动阻力试验中的实际差异，如图12和图13所示.分别对原左后视镜车辆状态和优化后的左后视镜车辆状态进行风洞测试，测试后的结果如表5所示.因仿真采用造型设计阶段数模，将其格栅封闭、地板封平处理，故而计算出来的风阻系数与实车风洞试验结果有差异，但仅从左后视镜优化前后的风阻系数差值对比来看，两者仅差0.000 3(0.3 count)，处于合理范围，因此判断左后视镜优化方案有效.由于左右后视镜基本对称，由此类推左右后视镜经形貌优化后对整车气动阻力的贡献量在0.000 3左右.