1、2022-11-27第六讲汽车造型设计与空气动力学第六讲汽车造型设计与第六讲汽车造型设计与空气动力学空气动力学第六讲汽车造型设计与空气动力学概要概要v汽车空气动力学性能汽车空气动力学性能汽车行驶时所受到的气动力和力矩汽车行驶时所受到的气动力和力矩改善汽车空气动力性能的措施改善汽车空气动力性能的措施汽车空气动力学的发展阶段汽车空气动力学的发展阶段整体优化法设计整体优化法设计v汽车造型设计汽车造型设计汽车造型设计的发展过程汽车造型设计的发展过程汽车造型技术与方法汽车造型技术与方法第六讲汽车造型设计与空气动力学一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能1.汽车行驶时所受到的气动力和力矩气动力F
2、：将整个汽车外表面上压力合成而得到作用在汽车上的合力。风压中心CP：合力在汽车上的作用点。质心CG迎风面积迎风面积S车身形状系数车身形状系数第六讲汽车造型设计与空气动力学一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能气动阻力气动阻力：气动升力气动升力:侧向分力：侧向分力：第六讲汽车造型设计与空气动力学一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能纵倾力矩纵倾力矩又称俯俯仰力矩又称俯俯仰力矩My，(以使汽车抬头为正以使汽车抬头为正)：式中式中 Xc，Zc风压中心到质心的距离；风压中心到质心的距离；L特征长度，一般指汽车轴距；特征长度，一般指汽车轴距；CMy俯仰力矩系数。俯仰力矩系数。横摆力矩
3、横摆力矩Mz(以汽车右偏为正以汽车右偏为正)：侧倾力矩侧倾力矩Mx(以汽车右倾为正以汽车右倾为正)：第六讲汽车造型设计与空气动力学一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能2.汽车的空气阻力正比：正比：空气阻力系数空气阻力系数CD，迎风面积迎风面积S，空气密度空气密度及及车速车速v2分为分为5个部分：个部分：形状阻力形状阻力 摩擦阻力摩擦阻力 诱导阻力诱导阻力 干扰阻力干扰阻力 内部阻力内部阻力第六讲汽车造型设计与空气动力学一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能阻力名称产生原因影响因素一般轿车CD=0.45理想型跑车CD=0.20形状阻力汽车前后压差车身表面形状及其交接处的转折
4、方式 58%70%摩擦阻力空气与车身摩擦车身表面的面积和光顺程度9%20%诱导阻力空气升力的纵向分力气动升力7%0干扰阻力扰动表面突起和各种附件14%5%内部阻力内循环阻力冷却气流和车内通风12%5%第六讲汽车造型设计与空气动力学一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能3.汽车的空气升力正比正比升力产生的原理升力产生的原理CZ上下表面曲上下表面曲率率上下表面压上下表面压差差f(x)反映了车身形状和位置状反映了车身形状和位置状态对升力的影响程度，是态对升力的影响程度，是评价汽车升力特性的重要评价汽车升力特性的重要指标。指标。提示：提示：为安全考虑，减小气动升力比降低气动阻力更为重要为安全
5、考虑，减小气动升力比降低气动阻力更为重要!第六讲汽车造型设计与空气动力学一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能降低升力的措施：（1）采用负迎角）采用负迎角迎角迎角:汽车前、汽车前、后形心的连线与后形心的连线与水平线的夹角。水平线的夹角。前高后低为正前高后低为正,迎角越大迎角越大,升力越大升力越大 造型应前低后高，造型应前低后高，产生负升力更好！产生负升力更好！第六讲汽车造型设计与空气动力学一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能（2）在汽车前端底部、后端加扰流板）在汽车前端底部、后端加扰流板 第六讲汽车造型设计与空气动力学一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能（3）
6、车尾地板向上翘起一个角度）车尾地板向上翘起一个角度 第六讲汽车造型设计与空气动力学（4）汽车底部板向两侧略微上翘）汽车底部板向两侧略微上翘 使底部气流有一部分流向两个侧面。当气流向两侧疏使底部气流有一部分流向两个侧面。当气流向两侧疏导时加快了底部的气流速度而使升力下降。导时加快了底部的气流速度而使升力下降。（5）斜背加）斜背加”鸭尾鸭尾”一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能第六讲汽车造型设计与空气动力学一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能4.汽车的空气动力稳定性风压中心在风压中心在质心前边不好！质心前边不好！第六讲汽车造型设计与空气动力学一、汽车的空气动力学性能一、汽车
7、的空气动力学性能使风压中心和汽车重心重使风压中心和汽车重心重合合;形心在质心之后形心在质心之后,靠近后轮靠近后轮;质心在质心在L(轴距轴距)/2之前；之前；尽量使风压中心和汽车重尽量使风压中心和汽车重心位于同一水平面心位于同一水平面.第六讲汽车造型设计与空气动力学一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能5.改善汽车空气动力性能的措施5.1 汽车外形的设计汽车外形的设计（1）汽车头部的平面和侧面形状轮廓线应尽量圆滑）汽车头部的平面和侧面形状轮廓线应尽量圆滑 第六讲汽车造型设计与空气动力学一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能（2）车头前端应尽量低矮）车头前端应尽量低矮第六讲汽车
8、造型设计与空气动力学一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能（3）头部与前风窗下缘的交接处）头部与前风窗下缘的交接处,前风窗顶部与顶盖的交前风窗顶部与顶盖的交接处以及前风窗两侧的拐角等过渡区域都应尽量地圆滑接处以及前风窗两侧的拐角等过渡区域都应尽量地圆滑第六讲汽车造型设计与空气动力学一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能（4）汽车中部应呈腰鼓形）汽车中部应呈腰鼓形,汽车纵向的最大横截面不宜过汽车纵向的最大横截面不宜过分地前移分地前移,以降低汽车的升力系数值以降低汽车的升力系数值;（5）汽车的底部形状最好采用整体平顺的底板）汽车的底部形状最好采用整体平顺的底板,减小升力减小升力
9、.（6）汽车车身的后部采用逐渐缓慢收缩的长尾式）汽车车身的后部采用逐渐缓慢收缩的长尾式.（7）注意驾驶室向后部车厢的过渡）注意驾驶室向后部车厢的过渡,避免形状的突变避免形状的突变.第六讲汽车造型设计与空气动力学一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能5.2 利用附加装置减小风阻利用附加装置减小风阻（1）前部扰流器）前部扰流器 第六讲汽车造型设计与空气动力学一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能（2）后部扰流器）后部扰流器 可使后窗后部的负压力降低；可使后窗后部的负压力降低；又可引导气流将后窗表面清又可引导气流将后窗表面清洗，避免尘土附着而影响后视洗，避免尘土附着而影响后视野野
10、 第六讲汽车造型设计与空气动力学一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能第六讲汽车造型设计与空气动力学一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能（3）导流罩）导流罩第六讲汽车造型设计与空气动力学一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能（4）隔离装置）隔离装置 是沿汽车中心线垂是沿汽车中心线垂直地安装在牵引车和直地安装在牵引车和半挂车间的平板。半挂车间的平板。可改善因侧向风引可改善因侧向风引起的通过牵引车和起的通过牵引车和半挂车间间隙的水半挂车间间隙的水平气流；平气流；当与导流罩连用时，当与导流罩连用时，可稳定导流罩的尾可稳定导流罩的尾流，从而保证导流流，从而保证导流罩的效
11、能。罩的效能。第六讲汽车造型设计与空气动力学一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能6.汽车空气动力学的发展阶段驾驶室内流、发动机冷却、驾驶室内流、发动机冷却、空气动力噪声及消除车身空气动力噪声及消除车身上泥土附着等上泥土附着等 降低气动阻降低气动阻力力气动升力及侧风稳定性气动升力及侧风稳定性第六讲汽车造型设计与空气动力学（1）基本形状造型阶段（）基本形状造型阶段（19001930）一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能注意了空气动力特性，直接将水流和气流中的合理外形注意了空气动力特性，直接将水流和气流中的合理外形应用到汽车上。应用到汽车上。鱼雷形状鱼雷形状第六讲汽车造型设计
12、与空气动力学一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能第六讲汽车造型设计与空气动力学一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能第六讲汽车造型设计与空气动力学一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能（2）流线型化造型阶段（甲壳虫、船形）流线型化造型阶段（甲壳虫、船形）降低气动阻力，并获得了可观的进展。降低气动阻力，并获得了可观的进展。（3）细部优化阶段）细部优化阶段首先进行外形设计，然后对形体细部如圆角半径、曲面弧度、首先进行外形设计，然后对形体细部如圆角半径、曲面弧度、斜度及扰流器等逐步或同时进行修改，控制以及防止气流的斜度及扰流器等逐步或同时进行修改，控制以及防止气流的分
13、离现象发生，以降低阻力，称为分离现象发生，以降低阻力，称为“细部优化法细部优化法(detail optimization)。（4）汽车造型的整体优化阶段）汽车造型的整体优化阶段首先确定一个符合总布置要求的理想的低阻形体，在其发展首先确定一个符合总布置要求的理想的低阻形体，在其发展成实用化汽车的每一设计步骤中，都应严格地保证形体的光顺成实用化汽车的每一设计步骤中，都应严格地保证形体的光顺性，在不改变其整体流场的条件下，使其逐步形成具有低气动性，在不改变其整体流场的条件下，使其逐步形成具有低气动阻力系数的实车阻力系数的实车，称之为形体最佳化，称之为形体最佳化(Shape Optimization)
14、。第六讲汽车造型设计与空气动力学一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能第六讲汽车造型设计与空气动力学一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能Audi100 C3整体优化设整体优化设计计1.设计基本形体设计基本形体多种缩比模型风洞试验。多种缩比模型风洞试验。2.改造为基本汽车外形改造为基本汽车外形按空气动力学原理处理局部细节，如车身底部部按空气动力学原理处理局部细节，如车身底部部件、冷却系前端保险杠的缝隙等件、冷却系前端保险杠的缝隙等。3.精制基本模型精制基本模型 进行结构及工艺设计的详细考虑，使模型车基进行结构及工艺设计的详细考虑，使模型车基本接近于真车。本接近于真车。4.试
15、制产品车试制产品车 0.170.250.290.30CD值值第六讲汽车造型设计与空气动力学一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能第六讲汽车造型设计与空气动力学二、汽车造型技术与方法二、汽车造型技术与方法1.汽车造型设计的发展过程（1）造型设计的原始阶段）造型设计的原始阶段(1950年以前年以前)汽车造型设计作为一个兼具技术和艺术要求的行业诞生。汽车造型设计作为一个兼具技术和艺术要求的行业诞生。（2）造型设计的发展期造型设计的发展期(1950-1969)（3）造型设计的成熟期造型设计的成熟期(1970-1989)（4）造型设计的辉煌期造型设计的辉煌期(1990年以后年以后)（5）汽车造
16、型设计技术的发展现状汽车造型设计技术的发展现状 提出车型平台化概念，使开发技术要实现快速和低成本；提出车型平台化概念，使开发技术要实现快速和低成本；实现了以计算机仿真与分析技术为主体的快速开发，并很快实现信息实现了以计算机仿真与分析技术为主体的快速开发，并很快实现信息和知识工程技术为基础的虚拟设计；和知识工程技术为基础的虚拟设计；继续缩短设计周期继续缩短设计周期。1999年年ford和和GM宣布实现全新车型开发周期为宣布实现全新车型开发周期为22个月和个月和24个月个月,最终目标是最终目标是1218个月。个月。第六讲汽车造型设计与空气动力学二、汽车造型技术与方法二、汽车造型技术与方法2.汽车造
17、型遵循的原则满足汽车用户需求：国家、地域、民族文化、时代满足汽车用户需求：国家、地域、民族文化、时代.法规需求：与造型有关的法规如视野法规需求：与造型有关的法规如视野,前后保险杠前后保险杠,灯具灯具,牌牌照尺寸和碰撞安全性等照尺寸和碰撞安全性等.适应技术进步：适应技术进步：造型设计通过数字化曲面构造、数控加工模型造型设计通过数字化曲面构造、数控加工模型,在数控在数控模型上少量修改便定型是未来汽车开发的主要形式模型上少量修改便定型是未来汽车开发的主要形式,可以大可以大大缩短开发时间和提高开发质量大缩短开发时间和提高开发质量.具有完美的形象具有完美的形象;良好的空气动力性良好的空气动力性;良好的工
18、艺性良好的工艺性;材料的装饰效果材料的装饰效果.第六讲汽车造型设计与空气动力学3.汽车造型技术与方法二、汽车造型技术与方法二、汽车造型技术与方法（1）收集资料信息形成造型设计概念）收集资料信息形成造型设计概念借鉴、继承和改进借鉴、继承和改进;征得消费者对汽车的意见和期望征得消费者对汽车的意见和期望;每年参加各地举办的汽车展览会每年参加各地举办的汽车展览会;收集市场的信息反馈收集市场的信息反馈.（2）获得造型设计的基本硬点）获得造型设计的基本硬点-控制线图控制线图总布置设计、局部改型设计的控制关系总布置设计、局部改型设计的控制关系（3）造型构思草图）造型构思草图（4）造型彩色效果图）造型彩色效果图第六讲汽车造型设计与空气动力学一、汽车的空气动力学性能一、汽车的空气动力学性能（5）油泥模型制作或数字化构造模型）油泥模型制作或数字化构造模型-三维数字化过程三维数字化过程 手工缩比模型制作、全尺寸油泥模型手工缩比模型制作、全尺寸油泥模型（6）数控加工模型）数控加工模型（7）测量与曲面光顺）测量与曲面光顺-数字化数字化反求：反求：Surface曲面、结构：曲面、结构：UG、Proe、Catia2022-11-27第六讲汽车造型设计与空气动力学
