理想车身气动造型研究与F1赛车气动特性初探

摘要

随着汽车车速，尤其是轿车车速的不断提高，气动力对汽车操纵稳定性能的不利影响也越来越大，因此汽车车身造型的研究也日益受到各汽车公司工程技术人员的重视。在汽车车身造型的诸多方法中，优化设计技术得到了汽车空气动力学研究者的关注。本论文主要研究优化设计技术是如何应用于流线形车身造型设计的，它在基于翼型剖面理论的基础之上，研究设计提出了一个较为符合气动原理的流线形车身。 在阅读大量文献和数值模拟分析的基础上，本论文所述优化设计技术的研究主要是从以下几方面展开。本文首先总结了车身其气动造型的演化历程，并且从汽车空气动力学的角度分析了各时代车身造型的特点。同时，因为任意一种车身造型方法与曲线曲面技术绝对不可分，本论文也简要介绍了与车身气动造型有密切联系的非均匀有理B样条理论。 本文在简述普通轿车在高速行驶时所涉及到的气动理论及其对汽车相关性能影响的基础上，详细论述了流线形车身优化设计的基本条件、优化设计的基本步骤以及影响车身气动造型优化设计的基本参数，同时设计出一个合乎汽车空气动力学理论的流线形数字化车身CAD模型。在对理想基本形体数字化车身进行数值模拟分析的前提下，本论文也研究了该车身纵对称中面上的速度、压力的分布，同时对车身外部绕流也进行了可视化的分析。 本文也从空气动力学的角度深入剖析了影响F1赛车气动性能的因素--负升力和阻力以及二者与赛车高速转弯的力学关系。文中对赛车进行了初步的CAD建模，对赛车外部绕流也加以深入地分析。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题来源与研究内容及意义

1.2车身整体优化造型研究概况

1.3车身气动造型演化历程

1.3.1基本形状化造型阶段

1.3.2流线形化造型初步阶段

1.3.3细部造型优化阶段

1.3.4车身整体优化阶段

1.4本章小结

第2章NURBS理论与造型方法

2.1非均匀有理B样条理论

2.1.1非均匀有理B样条(NURBS)参数曲线

2.1.2非均匀有理B样条(NURBS)曲面

2.2计算机辅助曲面造型的三种方法

2.2.1原创性曲面造型法

2.2.2根据二维图纸曲面造型法

2.2.3点测绘曲面造型法

2.3几种新的曲面造型方法

2.3.1基于物理模型的曲面造型

2.3.2基于偏微分方程(PDE)的曲面造型

2.3.3流曲线曲面造型

2.4本章小结

第3章类车身基本形体气动理论与常见形体绕流

3.1近地面流线形车身气动六分力

3.2气动六分力对流线形车身气动性能的影响

3.2.1气动阻力

3.2.2气动升力

3.2.3气动纵摆/俯仰力矩

3.2.4气动侧向力、侧倾力矩和横摆力矩

3.3常见形体绕流

3.3.1流线形细长体绕流

3.3.2圆柱体绕流

3.3.3钝体绕流

3.4本章小结

第4章类车身理想基本形体优化设计

4.1优化设计约束条件及数学函数的建立

4.1.1优化设计约束条件

4.1.2力学约束条件数学函数的建立

4.2优化设计举例

4.3影响流线形体形状的因素

4.3.1弯度

4.3.2弯度曲线端点的高度及前端的“迎风角”

4.3.3空气阻力系数和最大形心高度

4.3.4车身半宽度函数与对称中面升力系数函数

4.3.5拟函数

4.3.6横向截面几何边界

4.4本章小结

第5章类车身理想基本形体气动特性仿真分析

5.1流场数值模拟

5.1.1基本控制方程及湍流模式

5.1.2虚拟风洞CAD建模和网格剖分

5.1.3边界条件及初始条件

5.1.4方程离散求解

5.2理想基本形体模拟与分析

5.2.1理想基本形体外流场气动性能参数模拟数据

5.2.2形体纵对称中面气动参数分部可视化

5.2.3理想基本形体外表面静压分布分析

5.2.4理想基本形体尾涡截面的湍流动能

5.2.5理想基本形体速度流线分析

5.2.6不同尾部造型对称面流谱的比较

5.3本章小结

第6章F1赛车气动特性初探

6.1赛车空气动力学研究概况

6.1.1国外F1赛车气动性能研究的演化

6.1.2 F1赛车空气动力学研究的意义

6.2负升力与空气动力学附加装置

6.2.1负升力产生原理

6.2.2空气动力学附加装置

6.3负升力对F1赛车高速转弯的影响

6.3.1负升力与侧滑

6.3.2负升力与侧翻

6.4地面效应对气动负升力的影响

6.4.1地面效应

6.4.2地面效应的不同形式

6.4.3 F1赛车与量产车的比较

6.5 F1赛车外流场的数值模拟

6.5.1基本控制方程与涡粘模式

6.5.2 F1赛车几何建模与网格剖分

6.5.3 F1赛车模拟边界条件及初始条件

6.5.4 F1赛车车轮绕流分析

6.5.5 F1赛车前负升力翼气动特性模拟

6.6本章小结

总结与展望

1本论文内容总结

2本论文的创新点

3展望

参考文献

致谢

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