2022年汽车外形设计的流体力学仿真依据x .pdf
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1、大 连 民 族 学 院 毕 业 设 计论 文汽车外形设计的流体力学仿真依据学 院系:物理与材料工程学院专业: 光电子技术与科学学 生 姓 名: 王世泽学号: 2011153221 指 导 教 师: 毕振华评 阅 教 师: 赫然完 成 日 期: 2015 年 月 日大连民族学院精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 26 页汽车外形设计的流体力学仿真依据2 Hydrodynamics simulation based automotive exterior design Abstract The purpose of domest
2、ic and foreign large collection and read about the development process of automotive design, automotive design analyze advantages and difficulties, affect vehicle design and documentation of relevant information, to understand the performance and characteristics of automotive design methods of vario
3、us techniques . This paper mainly through the familiar and simulation software COMSOL to simulate a different appearance of the car model, as much relevant data obtained under different designs for the main image and data analysis. Through a variety of different graphical appearance of the car model
4、 data comparison and contrast optimum model design, and analysis to do the report. To learn and master the physical simulation design software COMSOL. And application software COMSOL collected different modes simulation modeling and optimization, the final result of the data obtained after the simul
5、ation and optimization were discussed. Keywords: COMSOL; automotive design; simulation model精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 26 页摘要大量收集并阅读国内外关于汽车外观设计的发展历程,分析汽车外观设计的优势以及困境, 对汽车外观设计的影响相关的资料和文献,到达了解汽车设计的各种技术方法的性能和特点的目的。本论文主要是通过对COMSOL仿真软件的熟悉及操作,模拟不同外观的汽车模型,尽可能多的得到不同的外观设计下的相关数据,以图像及数
6、据分析为主。通过对各种不同外观的汽车模型的图形比照及数据比照得出最正确模型设计方案,并分析做报告。学习并掌握物理仿真设计软件COMSOL。并应用 COMSOL软件对采集到的不同的模式进行建模和优化仿真,最后对仿真优化后的得到的数据结果进行分析讨论。关键字: COMSOL;汽车外观设计;仿真模型精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 26 页汽车外形设计的流体力学仿真依据4 目录摘要 . 3目录 . 41 绪论 . 0 . 3流体力学 . 3应用领域 . 3研究方法 . 3湍流模型 . 52.3 COMSOL . 6COMSOL
7、简介 . 6如何使用 COMSOL . 63. 设计过程及优化 . 8 . 10 的离散化 . 10 . 11 3.2 建立物理模型 . 11 . 16 . 19 参考文献 . 20 致谢 . 21 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 26 页汽车外形设计的流体力学仿真依据0 1 绪论随着科技的发展、 时代的进步,在中国汽车的总体市场方面, 最少在将来的几年里,一直到今年,随着国内生产总值(GDP)有可能以百分之八到百分之九的年平均速率一直增长下去,给我们所带来的经济的发展,因为这样生活中人们对汽车的需求量也一年比一年多,根
8、据专家的预测,到今年年底,将有超过一千万辆的中国汽车被销售。这种销售量的剧增将使中国以最快速度拿下全球第二大汽车的市场的称号,世界各个地方的多家汽车制造商、供给商的前途命运也直接被中国汽车市场这种规模影响着。如果在今后汽车发展的道路上,中国汽车汽车想要有更远大的发展前途,把制造和组装作为发展的核心是很有必要的,其主要有两个原因。其一,中国人口很多,购买力强大,所以汽车在中国的市场很大,今后的二十年汽车的销售量将会一年比一年的持续攀升。其二,在汽车制造方面中国区域有着很强大的优势:中国的劳动力价格不但很低,而且人文素质较高,几千年的工业基础也有着不可抵御的庞大力量,很简单我们举个例子来说:上海通
9、用,是通用在全世界的合资品牌中的头号模范。如果在今后的发展中上海通用再创新了自己的设计理念, 那么它的发展前景在汽车市场里将会是相当远大的1。在过去的几百年里面,汽车的发展从没有间断过,其外形构造大概经历了以下这么几个阶段 :期间最早的是马车型汽车, 大箱型汽车,甲壳虫汽车,船型汽车。而汽车本身的发展历史也是很悠久的,不得不被载入历史记载。接下来就详细的阐述介绍了在不同的历史时期汽车的不同风格特点及在每个时期的汽车发展道路。从 19 世纪末到 20 世纪初期,汽车设计师在汽车的结构上花费了相当大的时间和精力。直到 20 世纪前半期,汽车的基本结构框架已经全部浮出水面,于是汽车的外部造型变成了设
10、计师们的设计焦点,并在接下来的汽车发展中不断引入新的理论,像物理学里的空气动力学和流体力学、人体工程学以及工业美学等理念,希望能够创新出满足各种阶层,甚至各种文化背景的人在汽车外形结构上的不同需求,使汽车在艺术科学的领域里以最正确形象面对大众。 人类的模样被富有想象力的设计师们大胆地运用到了汽车的外形结构上。例如:将汽车的前照灯模拟成人类的眼睛;进风口设计成汽车嘴巴;空气滤清器就好比汽车肺; 油路便是汽车血管; 发动机是心脏; 油箱就像胃一样储存实物;轮胎则是汽车的脚。尽最大可能地将一个没有生命的机械注入生命的灵魂,使它具有不一般的精神力量,给使用者美的感受。汽车车身形式经历了好几个阶段,在它
11、的发展过程中,最具有划时代意义的一款外形产品当属甲壳虫型的轿车。图 1.1 ( 手绘汽车模型 )精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 26 页汽车外形设计的流体力学仿真依据1 在赛车制造上被运用到最多的造型当属楔形造型了。因为赛车是一款讲究速度的车型,我们首先考虑到的是行驶过程中空气对汽车前行产生的阻力大小因素,考虑到汽车外形对汽车各个方面的影响,可以完全应用于赛车车身,而乘坐的舒适度就不再显得那么的重要了,其设计也会被排在外形制造的下一步。楔形制造也有很多成功地案例,如在二十世纪八十年代的时候,意大利有一款相当有名的汽车制造
12、厂商生产的法拉利跑车,它的外形就是完全运用的楔形造型,可谓是全世界跑车里的典范。将楔形投身于汽车的外观造型上其最大的优点就在于造型的简单干练不繁琐、线条给人以动感,在另一方面,它也成功了表达了汽车外观造型在空气动力学方面的应用,对于目前生活中我们能够考虑到的拥有较高速度的汽车来说,楔形造型还是比较符合现在人们对汽车的要求理念,这款造型附带着很强的现代化生活韵味,表达出了那种极速那种给人很美好的感受。在日本丰田汽车制造的跑车里有一款型号为MR2 型中置发动机跑车,其尾部装有挠流板,它的外观设计也是成功地运用了楔形,可以称得上是楔形汽车中的代表车之一2。针对于目前在我们所考虑到的高速汽车中,楔型几
13、乎已经发展成为一种理想现代化的车型。现在世界上很多大汽车生产国生产的小型客车大都也用上了楔型模型,这使得小客车的外观也追上了现代化汽车的理念,那些以楔型为模型的小客车的外形简洁大方,现代化韵味浓厚。我们相信楔型车在未来的发展史上将会被更大幅度的引用,并不断地改进,特别是在客车的造型上,定会是在的基础上有着新的突破。例如,车的前窗玻璃可以设计的再往前倾一些,把尾部的阶梯状去掉。车窗玻璃和车身侧面齐平,使它们在同一个平面上,调整后视镜的造型,看看在什么情况下可以获得最小的风阻力,或者在车内安装后视的电视银幕,这样可以取代在车体两侧的后视镜。总之,平滑、流畅将会是未来的小客车的造型的反战趋势。空气动
14、力学设计将越来越被重视,其运用在汽车造型上的发展也将随着科技的进一步发展而运用的更加微妙微翘,与乘坐舒适性恰当地组合设计将会带来汽车发展史上的一波接一波的设计高潮,在其发展中,只要我们充分的考虑到空气阻力和乘坐舒适性两个关键问题,努力开发工程学在人力感知领域的高新技术,把目标定得更高更远,以更完美、更优秀为标准,并将色彩的喷涂等技术成功地运用到汽车的设计当中,使之取得柔和感和透明感,在色彩中表达人与自然的完美结合,那时便会格外赏心悦目。谈完汽车造型的演变,不禁让人感慨汽车的发明历史,是人类文化历史中的又一表达,着实令人惊叹不已的一种发明案例。就在在100年前,马戏团里出现了令人激动不已的怪物,
15、那便是汽车的雏形,在今天,在各地的公路上已有超过25 亿辆汽车在行驶着。它被数百万人因各种各样的目的利用着,谋生、旅游等等。人类的生活方式被汽车深深的影响着,它也改变了人们的生活,使我们的生活变得更加快节奏,以至于今天的一旦离开了汽车,不能想象我们的生活将会变成什么模样。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 26 页汽车外形设计的流体力学仿真依据2 图 1.2 (手绘汽车模型 )精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 26 页汽车外形设计的流体力学仿真依据3 2
16、.物理模型建立2.1 流体力学在连续介质力学中,流体力学是仅仅是它的其中一小部分,主要是研究气体及液体等现象以及其它一些相关力学行为的科学理论。如果按照研究对象的运动方式可以将流体力学划分为流体静力学和流体动力学两个重要组成部分,要是按应用范围划分,则可以分为水力学,空气动力学等等。N-S 方程是理论流体力学的基本方程,全称为纳维-斯托克斯方程。 N-S 方程由多个微分方程组成,通常要想求解它,就只有通过一些边界条件或者通过数值计算的方式。它包含很多变量,其中像速度、密度、黏度、压强p,和温度 T 等等,而这些都是位置 (x,y,z) 和时间 t 的函数3。水和空气与我们的生活都是息息相关的物
17、质,在流体力学中算是研究得最普遍的流体。牛顿运动定律和质量守恒定律两大定律是流体力学的主要基础,此外在运动当中时常还会涉及到其他相关基础知识,例如考虑到温度时就会用到热力学知识,有时还需要用到宏观电动力学的一些基本定律,在计算详细参数是用到高等数学、物理学分析、化学组成等的基础知识。伯努利在 1738 年出版他的著作时,首先将水动力学这样一个流体力学名词作为书名。直到 1880 年前后空气动力学这个名词才真正的腾空出世。在 1935 年以后,人们将这两方面的知识概括在了一起,建立了一个比较统一的体系,并命名为流体力学4。2 应用领域流体包含很多方面,除水和空气可以称之为流体之外,水蒸气、生活中
18、机械运转用到的石油、含泥沙的江水、人和动物的血液、超高压作用下的液态金属和燃烧后产生成分复杂的气体、高温条件下的等离子体等等可以在空间流动的介质通称为流体。流体力学知识在生活中、科技创新中被广泛的应用,像在勘测气象方面、水利研究方面,船舶、机械和核电站的设计构造及其运行方面,爆破方面,汽车制造以及天文学研究的假设干问题等等,都被很广泛地引用。2 研究方法流体力学研究的进行可以分为四个方面:现场观测、实验室模拟、理论分析、数值计算。现场观测是针在自然界原本存在的一些流动现象或者是经过人类的工程施工从而产生的流动现象,然后利用各种科学仪器进行系统性观测,然后将流体在运动中的规律总结出来,并根据已经
19、总结出来的规律预测流体在运动中还会产生的其它现象并归纳总结5。像以前对天气的勘测,就是通过这样一个流程开展的。实验室模拟在自然现象中现实的流动现象的发生一般是不受控制的,同一现象发生的条件也不可能重复的发生多次,而我们在进行一项研究的时候,是需要将统一过程精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 26 页汽车外形设计的流体力学仿真依据4 反复的研究,也就是说需要有几乎完全一样的流程反复出现,这样的情况下,仅仅通过现场观测就达不到预期的效果,从而就会对流动现象和规律的研究有很大的影响;而且现场观测是需要花费大量人力、财力和物力的7。
20、因此,实验室的成立在研究流体力学方面是很有必要地,在实验室中,我们可以通过科学技术模拟流体运动现象,并认为的控制这些现象在一定的条件下反复出现,以便于工作人员的观察和研究。和其它很多科学实验一样,流体力学是需要在不断地反复实验中进行的,特别是对那些之前从未研究过的陌生的流体运动。通过实验,我们能够了解到相关流体的运动特点及其运动规律的主要趋势, 对形成完整的概念体系和检验之前所得到的理论是否正确都很有帮助。在过去的二百年里,实验在支撑着流体力学的发展当中占据相当重要的位置。而模型实验则是实验当中最常用的方法之一,在流体力学的实验研究中起着相当重要的作用。这里所提到的模型是指我们根据流体力学的相
21、关理论指导,放大或是缩小相关的研究对象,合理的去安排实验。其实在实验操作当中,有很多流动现象是很难单纯地只靠理论计算去解决的, 有的则因为成本太高或者是规模太大根本就无法去完成相关实验。这个时候,就需要我们根据上面提到的模型实验进行实验操作得到数据再根据相关的计算简单算法得出我们所需要的数据。现场观测常常是针对在现实中已经存在的实体工程进行观测,而很多在大自然界还没有被发现的事物则需要我们通过实验室模拟去进行观察,使之在今后的应用中得到改进。所以说,在研究流体力学时实验室模拟是一种重要的方法9。理论分析则是根据在之前研究得出的流体运动的普遍规律如质量守恒、动量守恒、能量守恒等,再通过利用数学等
22、分析计算的手段,研究流体的运动,解释那些我们已经知道的现象发生的原因,再预测在流体运动当中还可能产生的其它现象。理论分析的步骤一般如下:首先是需要建立起一个研究模型,流体力学研究则是需要我们针对实际流体相关的力学问题建立 “ 力学模型 ” ,分析流体实体运动当中将会产生的各种矛冲突并提取主要因素,并根据具体的问题进行简化从而建立起反映真实问题根本因素的“ 力学模型 ” 。 连续介质、不可压缩流体、理想流体、平面流动等都是流体力学中最常用的基本模型。数值计算针对流体运动的各种特点, 我们可以选择用不同的数学语言将质量守恒、动量守恒、能量守恒等定律表达出来,从而得到我们试验中想要得到的一系列连续性
23、方程、能量方程和动量方程。但仅仅这些是远远不够的,必要地时候我们还需要加上某些相关的能够使各流动参量串联起来的关系式,例如状态方程等。这一系列的联系各流动参量的方程组合在一起称为流体力学基本方程组。由于这一系列研究, 无论是从基本的理论还是基本的方程的都与特别深奥的数学问题有关,所以流体力学的进展一直以来都离不开数学的探索。相反,已经通过了实验和工程实践考验过而得出的流体力学理论,又为数学理论的发展铺好了道路,很多它所提出的一直没有解决的难题,也给数学研究发展中提供了很好的研究方向,就目前数学发展的状况看来,有很多题目单纯靠纯数学的角度是很难去完善的解决的,这个时候就需要依靠实验来辅助进行。在
24、流体力学理论中, 特定的流体的理论模型是需要用简化流体物理性质的方法建立的,简化数学问题的方法有很多,通常我们可通过减少自变量或减少未知函数等方法来简化这些数学问题,在一定的范围内,它是可以帮组我们去解决许多实际的问题,成功地到达我们预期的结果14。此外,像湍流这种实际流动往往情况特别复杂,无论是在理论分析上还是在计算数精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 26 页汽车外形设计的流体力学仿真依据5 值的时候都会遇到巨大的数学难题,从而得不到具体的结论,在这个时候,现场观测和实验室模拟进行研究使我们的不二选择。2.2 湍流模型计
25、算流体动力学的控制方程是基于质量守恒、动量、能量三者。湍流是当这三种的传输量在时间和空间上表现出周期性, 同时出现不规则波动时产生的气流。因此交通工具变量的混合也在这样的条件下大大得到提高。没有单一的湍流模型可以决定所有气流条件下的物理现象。湍流模型的选择取决于所需水平的准确性、可用的计算资源和所需的周转时间。在 k - 模型的原理中, K 指的是紊流脉动动能 J, 指的是是紊流脉动动能的耗散率 %。其中 K 影响着湍流脉动长度和时间尺度,k 越大说明湍流脉动长度和时间尺度越大,恰恰相反,越大意味着湍流脉动长度和时间尺度越小,湍流脉动由这两个量约束着。 但是在计算的实际问题中可能并不会像上所说
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