基于车辆的可变形扰流翼多功能化设计

摘要

可变形技术是改善运载工具性能和提升其复杂环境适用性的关键。以汽车变体为例，它能够协助车辆根据外部运行环境的变化随时调整自身形态，降低风阻，提升驾驶舒适性和燃油经济性，并满足多任务应用需求。为此，最经济、最易实现的可变形汽车已成为学者们研究的热点。本文以可变形汽车扰流翼设计为目标，采用多点驱动方式，基于拓扑优化技术设计了具有多种变形模式的新型汽车扰流翼，研究了其对汽车气动力学特性的影响关系，具体工作包括： （1）建立了不同工况下汽车扰流翼气动力学特性分析模型，借助COMSOL和Matlab联合仿真技术，系统分析了不同构型扰流翼的气动载荷，得到了不同工况下扰流翼的最佳气动外形，相对未安装扰流翼时，风阻减少20%。然后建立了扰流翼变形和承载能力的功能需求判据，以扰流翼产生单位角度变形时承受的等效弯矩表征扰流翼的承载能力，扰流翼产生单位变形所需要的驱动力表征可变形扰流翼的变体能力； （2）建立了基于结构优化技术的多功能汽车扰流翼设计模型，设计了兼具多工况变形功能和承载能力的多点驱动柔性结构，制备了实验样件，搭建了包括驱动系统、测量系统和控制系统组成的实验平台，实验测得可变形扰流翼上下弯曲偏转角度为±9.1°，伸长变形位移为4.8mm，收缩变形位移为5.8mm；数值实验验证了可变形扰流翼的变形和承载能力； （3）设计了基于cRIO的可变形扰流翼测控系统，包括测控系统的软硬件设计，并基于图形化编程工具LABVIEW设计了针对扰流翼变形控制的PID控制算法，实现了扰流翼自适应变形的功能； （4）可变形扰流翼实验验证，对可变形扰流翼的变体能力和承载能力进行了实验测量。实验显示，可变形扰流翼实现上下弯曲和收缩变形四种工况的变体能力分别为165N/°、165N/°、310N/mm和258N/mm。在等效弯矩载荷作用下，初始翼型弯曲角度为1.76°，向下弯曲工况时翼型弯曲角度为2°，向上弯曲工况时翼型弯曲角度为2.2°，伸长变形工况时翼型弯曲角度为1.6°，收缩变形工况时翼型弯曲角度为1.12°，可变形扰流翼在空载、上下弯曲和收缩变形五种工况的承载能力分别为31.5Nm/°、48.5Nm/°、11Nm/°、30Nm/°和48.5Nm/°。实验和仿真的结果最大误差为14.3%，最小误差为6.9%，误差产生的主要原因为样件在制作过程中存在加工误差和各部件装配时产生的装配误差。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究意义与背景

1.2 可变形技术研究现状

1.2.1 刚性机构驱动

1.2.2 气压驱动

1.2.3 智能材料驱动

1.2.4 柔性机构驱动

1.3 本文主要研究内容

2 可变形扰流翼翼型优化及气动特性分析

2.1 翼型优化

2.1.1 空气动力学理论

2.1.2 翼型优化方法

2.2 气动特性分析

2.2.1 车辆空气动力学性能分析

2.2.2 可变形扰流翼气动载荷分析

2.3 本章小结

3 多功能可变形扰流翼结构优化与设计

3.1 可变形结构优化

3.1.1 承载式蒙皮结构优化

3.1.2 连接装置布局优化

3.1.3 多工况柔性结构优化

3.2 基于可变形结构的可变形扰流翼设计及仿真验证

3.2.1 可变形扰流翼设计

3.2.2 可变形扰流翼仿真验证

3.3 本章小结

4 多功能可变形扰流翼实验验证

4.1 可变形扰流翼测控系统设计

4.1.1 测控系统硬件设计

4.1.2 测控系统软件设计

4.1.3 测控系统控制器设计

4.2 可变形扰流翼制备与实验

4.2.1 可变形扰流翼变体能力测量

4.2.3 结果分析

4.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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