可调式扰流板对车辆高速性能影响的研究

摘要

随着汽车技术的进步和交通道路水平的发展，汽车行驶在高速时的情况越来越多，汽车的高速性能越来越受到人们的重视。
　　车辆在高速行驶时会受到空气的作用，随着车速的加快，空气的作用对车辆的影响显著增大。高速行驶时，巨大的空气阻力会消耗车辆的大部分功率，严重影响车辆的燃油经济性和高速动力性能。与此同时，车辆会受到较大的空气升力，空气升力会降低轮胎对路面的附着性能，使汽车的操控性和保持预定路线的能力降低，严重影响车辆在高速时的安全。
　　扰流板是在汽车领域应用比较广泛的空气动力学装置，一般装在车辆的尾部。当气流流过扰流板时，被分成上下两股，下方的气流速度较快，上方的气流流速较慢。根据伯努利定理，扰流板上方的压力更大，上方和下方的压力差产生向下的负升力。负升力可以抵消一部分气动升力，增加后轮的附着力。
　　本文以扰流板角度对车辆高速性能的影响为线索进行了探索性研究。通过汽车车身外形的发展介绍了空气动力学发展史和趋势，阐述了空气动力学装置的原理及在赛车领域的广泛应用。然后利用CATIA软件建立了扰流板在0°、15°、45°、75°和90°时的五个车辆模型，根据计算流体力学的原理，对车辆外流场进行了数值模拟，并对模拟结果进行详细的对比和分析，在此过程中阐述了气动阻力和升力产生的原因和扰流板改变车辆气动特性的机理，最后得到了车辆在不同扰流板角度下的气动特性。基于结果运用动力学仿真软件CarSim进行了五种高速时常见工况的动力学测试。首先简单介绍该软件各模块的功能和特点，然后以本次试验为例，展示了仿真测试在软件中的实现过程，最后对不同工况下各测试车辆的实验结果进行了详细的比较和分析。
　　结果表明，高速工况下车辆气动特性的改变对车辆动态性能的影响很大。根据实验结果，本文提供了扰流板角度设置的策略。该策略基于不同工况充分利用空气阻力和负升力等空气作用力，增强车辆的制动效能和稳定性，优化车辆的高速性能，为扰流板在不同工况下的角度设置提供了参考依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的背景和意义

1．2 研究方法

1．2．1 实验法

1．2．2 数值模拟法

1．3 国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 本文研究内容

第二章 空气动力学的基本原理及应用

2．1 汽车空气动力学的应用

2．1．1 空气动力学主导的车辆造型演变

2．1．2 空气动力学装置

2．2 气动特性对车辆的影响

2．2．1 空气动力学原理

2．2．2 气动升力和纵倾力矩对汽车操稳性的影响

2．2．3 侧向空气作用力和空气横摆力矩对汽车操稳性的影响

2．2．4 扰流板的原理

2．3 计算流体力学的理论基础

2．3．1 计算流体力学

2．3．2 基本控制方程

2．3．3 计算流体力学的湍流模型

2．4 流体计算和分析过程

第三章 车身外流场模拟和结果分析

3．1 三维模型的建立

3．2 计算区域的选取

3．3 网格的生成

3．4 流体模型和边界条件的确定

3．5 外流场结果分析

3．6 本章小结

第四章 汽车动力学仿真实现

4．1 系统动力学的发展

4．2 CarSim简介

4．2．1 发展历史

4．2．2 CarSim的功能和特点

4．2．3 CarSim的国内应用现状

4．2．4 CarSim控制主界面

4．3 车辆系统模型的建立

4．3．1 车辆模型设置主界面

4．3．2 整车尺寸参数与簧载质量

4．3．3 动力与传动系统

4．3．4 悬架系统建模

4．3．5 转向系模型

4．3．6 轮胎模型

4．3．7 空气动力学参数

4．4 模型验证

4．4．1 实验设备

4．4．2 模型验证结果

4．5 测试内容的设置

4．6 后处理

4．6．1 历程动画功能

4．6．2 曲线图的绘制

第五章 动力学仿真实验与结果分析

5．1 仿真实验的概述

5．2 全油门加速测试

5．3 紧急制动测试

5．4 制动横风测试

5．5 高速双移线测试

5．6 稳态转向测试

5．7 实验总结与扰流板角度设置策略

5．7．1 实验总结

5．7．2 扰流板控制策略

第六章 总结与展望

6．1 论文主要工作

6．2 结论

6．3 不足和展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的学术成果