【正文】 )概念，這是人們對(duì)這種“新生兒”的最佳描述。汽車在本質(zhì)上是一種交通工具，是在一定的時(shí)問(wèn)內(nèi)使主體 (人或物 )完成相應(yīng)的空間位移。 先 驅(qū)的“自主 移動(dòng)”依然是指導(dǎo)今日設(shè)計(jì)的不二準(zhǔn)則。 (2)空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 空氣動(dòng)力學(xué)特性是影響汽車性能的最重要因素，它針對(duì)汽車給環(huán)境、能源帶來(lái)的弊端，解決了汽車動(dòng)力性、安全性方面的諸多問(wèn)題，而且與汽車造型技術(shù)相互依存?？諝鈩?dòng)力學(xué)性能越來(lái)越被重視，以低阻物體為出發(fā)點(diǎn)、減小正投影面積、追求楔型風(fēng)格和表面平滑化等，而且計(jì)算流體動(dòng)力上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 面包車車身 造型的改進(jìn)設(shè)計(jì) 9 學(xué) (CFD)必將給汽車空氣動(dòng)力學(xué)以新的面貌。 (3)美學(xué)準(zhǔn)則 汽車造型的目的是以其外形的美去吸引和打動(dòng)觀者，使其產(chǎn)生擁有這種車的欲望汽車造型涉及科學(xué)和藝 術(shù)兩大方面。設(shè)計(jì)師需要懂得車身結(jié)構(gòu)、制造工藝、空氣動(dòng)力學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、工程材料等知識(shí)。同時(shí)，設(shè)計(jì)師更需要有高雅的藝術(shù)品位和豐富的藝術(shù)知識(shí)。 (4)概念設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 (超前化法則 ) 概念設(shè)計(jì)及概念車將會(huì)對(duì)產(chǎn)品有更大的影響。我們雖無(wú)法預(yù)測(cè)現(xiàn)代科技的走勢(shì)，卻完全可以預(yù)見(jiàn)一定時(shí)期內(nèi)人的需求。概念車則能更多更快地反映這一點(diǎn)，使我們能夠更迅捷地應(yīng)對(duì)變化的市場(chǎng)。 (5)智能化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 信息技術(shù)革命正在推動(dòng)汽車設(shè)計(jì)翻開(kāi)新的一頁(yè)。自動(dòng)化、智能化、多功能將成為 21世紀(jì)汽車發(fā)展的新趨勢(shì)。車身也在其中，諸 如表面清潔技術(shù)、表面采光技術(shù)、車身材料減阻技術(shù)等。 (6)綠色設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 汽車生產(chǎn)與其他產(chǎn)業(yè)一樣，呈現(xiàn)出綠色戰(zhàn)略趨勢(shì)，這就是向資源利用合理化、廢棄物產(chǎn)生少量化，對(duì)環(huán)境無(wú)污染或少污染的方向發(fā)展。生產(chǎn)綠色汽車已提到議事日程，綠色汽車將是環(huán)保汽車的代稱 。 汽車造型與空氣動(dòng)力學(xué)演繹與發(fā)展 空氣動(dòng)力學(xué)上的每一項(xiàng)進(jìn)展，都直觀地反映在汽車造型的變化上。 幾十年來(lái)，汽車造型的種種變化，都可以找到其空氣動(dòng)力學(xué)的依據(jù) 。 (1)馬車型汽車。汽車誕生前，馬車是陸地上最好的交通工具，可以說(shuō)，汽車是從馬車 的機(jī)動(dòng)化開(kāi)始的。在汽車造型方面，沒(méi)有專門的設(shè)計(jì)人才，汽車外形基本上沿用了馬車的造型。 (2)箱型汽車。馬車型車身，很難抵御風(fēng)雨的侵襲。福特公司生產(chǎn)了一種新形式的像一只大箱子的車身，稱作“箱型車身”。當(dāng)汽車車速超過(guò)上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 面包車車身 造型的改進(jìn)設(shè)計(jì) 10 100km／ h后，功率幾乎都用來(lái)克服空氣阻力了。因此，人們開(kāi)始降低車的高度和迎風(fēng)面積用于克服空氣阻力。 (3)甲殼蟲(chóng)型汽車。 1930年后，人們?cè)絹?lái)越重視車身外形對(duì)減少空氣阻力的影響。如美國(guó)克萊斯勒公司生產(chǎn)的小客車，采用了流線型的車身外形，宣告了汽車造型新時(shí)代的開(kāi)始。當(dāng)時(shí)流線型車身的代 表是德國(guó)大眾公司的“甲殼蟲(chóng)”汽車。 (4)船型汽車。為了克服“甲殼蟲(chóng)”汽車對(duì)橫風(fēng)的不穩(wěn)定性， 1949年美國(guó)福特公司推出了福特 V8型汽車，這種汽車的前翼子板和發(fā)動(dòng)機(jī)罩、后翼子板和行李艙罩融于一體，大燈和散熱器罩也形成整體，車身兩側(cè)形成一個(gè)平滑的面，車室位于車的中部，整個(gè)車像一只小船，因此稱為“船型汽車”。 (5)魚型汽車。船型汽車尾部向后伸出，在高速時(shí)會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的空氣渦流．對(duì)此，人們把船型車的后窗玻璃逐漸傾斜，成為斜背式，很像魚的脊背，稱之為“魚型汽車”。魚型汽車車身氣流平順，渦流及側(cè)面形狀阻力不大。不過(guò)在高速時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種使車輪附著力減小的升力，影響側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性。 (6)楔型汽車。在魚型汽車的基礎(chǔ)上，將車身整體向前下方傾斜，將車身尾部截短并如刀切一樣平直，這種造型能有效地克服升力，改善汽車行駛穩(wěn)定性。從空氣動(dòng)力學(xué)角度來(lái)看，楔型汽車已接近理想的造型，成為現(xiàn)代汽車車身造型的主流方向。 汽車車身造型設(shè)計(jì)方法 作為汽車，首先向人們展示的就是它的外形，外形關(guān)聯(lián)到汽車的命運(yùn)。在全球汽車企業(yè)中，汽車造型工作都是由公司的最高層直接領(lǐng)導(dǎo)。 車身造型設(shè)計(jì)的內(nèi)涵 現(xiàn)代車身造型 設(shè)計(jì)的顯著特點(diǎn)就是把空氣動(dòng)力學(xué)和車身造型這兩個(gè)上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 面包車車身 造型的改進(jìn)設(shè)計(jì) 11 本來(lái)就密不可分的問(wèn)題結(jié)合起來(lái)進(jìn)行 研究，把技術(shù)問(wèn)題和美學(xué)問(wèn)題雜糅在一起，使車身造型設(shè)計(jì)科學(xué)、先進(jìn)、具有前瞻性、 符合汽車造型國(guó)際流行標(biāo)準(zhǔn)，還要體現(xiàn)汽車空氣動(dòng)力學(xué)的最新研究成果，并滿足國(guó)際、國(guó)家法規(guī)。 車身結(jié)構(gòu)造型 (1)總體外形 自馬車型到箱型，由甲殼蟲(chóng)及船型以及魚型向楔型的轉(zhuǎn)變，汽車變得越來(lái)越美觀， 流暢自然的線條圓滑簡(jiǎn)潔的過(guò)渡，明快優(yōu)美的曲線，給人以舒展流暢、強(qiáng)勁的動(dòng)感和平衡安全、生機(jī)勃勃的力量之美?？梢哉f(shuō)，外表呈楔型的汽車已經(jīng)是很理想 的車型了。在追求個(gè)性、高效的今天，外形及其關(guān)聯(lián)的氣動(dòng)阻力依然受制于高速安全性、經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性。 (2)細(xì)部造型 現(xiàn)代轎車的外形一般用圓滑流暢的曲線去消隱車身上的轉(zhuǎn)折線。前圍與側(cè)圍、前圍側(cè)圍與發(fā)動(dòng)機(jī)罩，后圍 與側(cè)圍等采用圓滑過(guò)渡，發(fā)動(dòng)機(jī)罩向前下傾，車尾后箱蓋短而高翹，后翼 子板向后收縮，擋風(fēng)玻璃采用大曲面，且與車頂圓滑過(guò)渡，側(cè)窗與車身相平，橢圓狀前后燈具、門手把嵌入車體內(nèi)，車外后視鏡、車身表面盡量光潔平滑，車底用平整的蓋板蓋住，降低整車高度等等。 (3)導(dǎo)流板與擾流板技術(shù) 為減 小因車速增加所產(chǎn)生的升力，在前 保險(xiǎn)杠下方裝上向下傾斜的連接板。連接板與車身前裙板連成一體，中間 開(kāi)有合適的進(jìn)風(fēng)口加大氣流度，減低車底氣壓，這種連接板稱為導(dǎo)流板。在轎車行李箱蓋上后端做成像鴨尾似的突出物，將 從車頂沖下來(lái)的氣流阻滯而形成向下的作用力，這種突出物稱為擾流板。 擾流板與水平方向呈一定角度，其橫截面的平滑面在上，拋物面在下，這樣會(huì)產(chǎn)生負(fù)升力，用來(lái)抵消車身上的升力。 車身造型設(shè)計(jì) 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 面包車車身 造型的改進(jìn)設(shè)計(jì) 12 車身造型包括形態(tài)、質(zhì)地、色彩、人機(jī)關(guān)系等內(nèi)涵，應(yīng)盡量完滿體現(xiàn)汽車的物質(zhì)功能和精神功能，充分滿足人們?cè)趯?shí)用和審 美兩個(gè)方面的需求。從美學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，汽車造型一個(gè)是以其外在的感性形式所呈現(xiàn)出的形式美或藝術(shù)美，另一個(gè)是以其內(nèi)在的理性形式所呈現(xiàn)出的技術(shù)美或科技美。一般的美學(xué)法則包括：比例與尺寸、對(duì)稱與均衡、穩(wěn)定與輕巧、節(jié)奏與韻律、統(tǒng)一與變化、調(diào)和與對(duì)比、主從與重點(diǎn)、比擬與聯(lián)想、單純與風(fēng)格等。 汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究 自從世界上有了第一輛汽車以后，德國(guó)就在航空風(fēng)洞中進(jìn)行了車身外形實(shí)驗(yàn)研究。后來(lái)德國(guó)人賈萊克蘭柏勒提出前圓后尖的水滴狀最小空氣阻力造型設(shè)計(jì)方案，從而找到了解決形狀阻力的途徑。美國(guó)人 W． Elay于1934年用風(fēng)洞測(cè)量了各種車身模型的空氣阻力系數(shù)。法國(guó)人 J． Andreau則提出了汽車表面壓差阻力的概念，并研究了側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性。 2O世紀(jì) 40年代，另一位法國(guó)人 L． Romani對(duì)誘導(dǎo)阻力進(jìn)行了研究。 6O年代初，英國(guó)人 white通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)提出了估算空氣阻力系數(shù)的方法。到 7O年代，汽車空氣動(dòng)力學(xué)才真正成為一門獨(dú)立學(xué)科。我國(guó)是在 8O年代才較為系統(tǒng)地研究汽車空氣動(dòng)力學(xué)的。 理論基礎(chǔ) (1)理想空氣動(dòng)力學(xué)模型 空氣動(dòng)力學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，圓頭在前、尖端在后的雨滴、淚珠狀的形體最易于通過(guò)氣流。然而飛機(jī)與汽車 都不可能與其形似，對(duì)于汽車，必須充分考慮與地面接觸部分的影響。 (2)升力 眾所周知，由于汽車車身上部和下部氣流流速不同，使車身上部和下部形成壓力差，從而產(chǎn)生升力并產(chǎn)生縱傾力矩，直接影響汽車操縱穩(wěn)定性和弱化汽車動(dòng)力的發(fā)揮。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 面包車車身 造型的改進(jìn)設(shè)計(jì) 13 (3)空氣阻力系數(shù) “空氣阻力系數(shù)”是衡量現(xiàn)代轎車性能的第一參數(shù)。汽車在行駛中，圍繞著汽車重心產(chǎn)生縱向、側(cè)向和垂直三個(gè)方向的氣動(dòng)力。其中縱向氣動(dòng)力是最大的空氣阻力，并受制于空氣阻力系數(shù)。 2O世紀(jì) 5O年代至 7O年代，空氣阻力系數(shù)維持在 ． 6之間。 70年代，各國(guó)傾力降低 CD值，使其維持在 0． 28～ 0． 4之間。一般測(cè)定汽車的空氣阻力系數(shù)值有風(fēng)洞測(cè)試法。非風(fēng)洞法則有滑行試驗(yàn)法、行駛功率平衡法等 。 研究方法 (1)基礎(chǔ)理論研究 空氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)是質(zhì)量守衡、動(dòng)量守衡和能量守衡定律，可由Euler、 NS等數(shù)學(xué)方程組來(lái)描述。然而有關(guān)不可壓流體特性、流體阻力理論以及汽車?yán)@流特性等基礎(chǔ)理論研究還有待深化。 (2)風(fēng)洞試驗(yàn) 風(fēng)洞是利用巨大的風(fēng)扇，把空氣吸入管孔中，再利用整流板及管孔漸小的設(shè)計(jì)，把吸進(jìn)的空氣加以整流和加速，使之達(dá) 到所需的風(fēng)速，然后再送入風(fēng)洞的試驗(yàn)段中。在設(shè)計(jì)和改進(jìn)汽車時(shí)，作出相應(yīng)的模型或?qū)嵨?，并放入風(fēng)洞進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試。 國(guó)內(nèi)外大型汽車制造公司不惜耗費(fèi)巨資建造汽車試驗(yàn)風(fēng)洞，見(jiàn)表 1所示 美國(guó)通用汽車公司研制出 4500kW、葉片直徑 裝置。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 面包車車身 造型的改進(jìn)設(shè)計(jì) 14 表 1 世界各國(guó)風(fēng)洞主要性能參數(shù)表 參數(shù) 米拉 英國(guó) 大眾 德國(guó) 奔馳 德國(guó) 菲亞特 意大利 法國(guó) 寶馬 德國(guó) 佐治亞 美國(guó) 通用 美國(guó) NRC 加拿大 上海交大 吉林 大學(xué) 截面積 /m2 風(fēng)速 /（ km h1） 140 180 270 200 144 180 400 240 200 200 風(fēng)機(jī)數(shù)量 /臺(tái) 4 1 1 1 2 2 1 1 1 1 1 年份 1960 1967 1976 1976 1981 1963 1980 1970 20xx 當(dāng)用風(fēng)洞測(cè)試時(shí)要注意的技術(shù)問(wèn)題是 ： (1)用模型在風(fēng)洞中測(cè)試出的汽車空氣阻力系數(shù)值有 1O％～ 2O％誤差，因?yàn)樵囼?yàn)所用的模型很難與汽車原型做到幾何相似和空氣動(dòng)力學(xué)相似。 (2)汽車沿道路行駛時(shí)，空氣相對(duì)于路面的速度為零 (假設(shè)無(wú)自然風(fēng)時(shí) )，在路面上不存在邊界層。而在風(fēng)洞中空氣相對(duì)于模型或原型支承面有運(yùn)動(dòng)，從而形成了邊界層，使值的測(cè)試有誤差。 風(fēng)洞或?qū)嵻嚨缆房諝鈩?dòng)力學(xué)特性試驗(yàn)包括： ① 過(guò)表面絲帶法和網(wǎng)格絲帶法測(cè)試車身表面流態(tài)。 ②通過(guò)煙度發(fā)生器實(shí)施煙流法測(cè)試汽車車身周圍流態(tài)。 ③通過(guò)熒光添加劑噴霧法和水流模擬法進(jìn)行流動(dòng)模擬試驗(yàn)，以及用高速攝影法對(duì)雨水和灰塵流動(dòng)特性進(jìn)行印證。 ④通過(guò)肥皂泡法、絲帶法和煙流法，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)室和駕駛室內(nèi)的氣流流態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)印證。 ⑤通過(guò)滑石粉法和 泥土重量分析法印證泥垢附著狀態(tài)等。 (3)數(shù)值仿真 數(shù)值計(jì)算方法從計(jì)算分析角度上定義為計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (簡(jiǎn)稱 CFD)。從目前發(fā)展來(lái)看， CFD在預(yù)測(cè)汽車外形變化對(duì)三維流場(chǎng)特性的影響方面是上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 面包車車身 造型的改進(jìn)設(shè)計(jì) 15 最有效的，很適用于汽車外形的造型分析。 數(shù)值仿真方法在國(guó)外發(fā)展較快，方法很多，可概括為有限差分法、有限元法和邊界元法三大類，德國(guó)大眾汽車公司、意大利菲亞特 Richerche技術(shù)中心、瑞典沃爾沃汽車公司、德 國(guó)戴姆勒 奔馳公司、日本三菱公司等都卓有成效地進(jìn)行了數(shù)值分析。美國(guó)福特汽車公司 Williams等人在雷諾數(shù) 8 風(fēng) 速 49m／ s來(lái)流條件下，對(duì) 1／ 2縮尺度的不同尾部 造型的轎車模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。 并通過(guò)模型 CAD數(shù)據(jù)，利用 STAR— CD和 FIDAP軟件采用有限差分法 (FVM)、有限元法 (FEM)求解三維可壓和不可壓 RANS方程組對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行了仿真。仿真采用к ε 湍流模型， STARCD計(jì)算共用 8O萬(wàn)個(gè)非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格， FIDAP共用 19萬(wàn)個(gè)結(jié)構(gòu)格。計(jì)算出的車身前部、車底、地面和中心對(duì)稱面上壓力分布均與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好；橫截面的速度矢量分布、縱向渦量、總壓損失等也與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果基本一致。由于標(biāo)準(zhǔn)к ε 湍流模型不適于模擬分離流動(dòng)，兩種 方法計(jì)算出的車身后背部壓力分布、后窗流動(dòng)起始分離線和行李蓋處流動(dòng)再附著線與試驗(yàn)結(jié)果差別較大。阻力系數(shù)的計(jì)算值大于試驗(yàn)值。計(jì)算出的升力系數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果基本相符。 現(xiàn)代汽車研究方法 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)學(xué)分析方法的發(fā)展，在 CFD方法仿真汽車空氣動(dòng)力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，研發(fā)出汽車空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì) CAE平臺(tái)。例如，在國(guó)家“ 863計(jì)劃”的“復(fù)雜流場(chǎng)數(shù)值模擬”、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的“工程旋渦分離流動(dòng)研究”、清華大學(xué)“ 985工程”的“數(shù)字化轎車”、“轎車關(guān)鍵技術(shù)研究”等項(xiàng)目的支持下，清華大學(xué)流體控制 CAE室以 ICEM— CFD和 STAR— CD商業(yè)軟件為基礎(chǔ)，研制開(kāi)發(fā)出汽車設(shè)計(jì) CAE平臺(tái)。 CAE平臺(tái)的基本開(kāi)發(fā)方法 基于把功能、美學(xué)、 CFD三大要素結(jié)合起來(lái)進(jìn)行汽車造型設(shè)計(jì)，從而形成了汽車造型設(shè)計(jì)方法。 (1)用專家系統(tǒng)工程方法提升前人風(fēng)洞試驗(yàn)、實(shí)車道路測(cè)試、數(shù)字仿上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 面包車車身 造型的改進(jìn)設(shè)計(jì) 16 真和理論研究成果，該成果