汽車中有重要材料的空氣動力學(xué)研究

汽車中有重要材料的空氣動力學(xué)研究

根據(jù)常識，降低或移除皮卡車外殼的后翼可以減少皮卡車的空氣阻力系數(shù)，從而降低汽車的油耗。然而空氣動力學(xué)計算研究卻表明,流經(jīng)皮卡車廂的空氣在其周圍形成的流場,并非像人們所想象的那樣,當(dāng)放下皮卡車后擋板后能夠降低車的風(fēng)阻系數(shù)。這個例子也進(jìn)一步表明,人們應(yīng)該謹(jǐn)慎地根據(jù)常識和感覺來評判發(fā)生在汽車上的許多物理化學(xué)現(xiàn)象。當(dāng)人們談到汽車電子設(shè)備時,會很容易地聯(lián)想到傳感器、電路模塊或者是一臺控制電腦,卻忘記了在汽車上還有很多其它的電子器件。對于現(xiàn)代汽車來說,在產(chǎn)品的研發(fā)過程中,重要電子設(shè)備的應(yīng)用就已經(jīng)被考慮進(jìn)去了。其中利用計算機建立產(chǎn)品的三維模型,以及對模型的機械系統(tǒng)、電子系統(tǒng)和空氣動力學(xué)性能進(jìn)行仿真評估,已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計步驟。在將汽車的設(shè)計圖紙變成實際的產(chǎn)品之前,利用這些模型能夠幫助工程師確定汽車的性能、功能和所用材料是否滿足所設(shè)定的要求。理解這些計算機建模與仿真過程是如何進(jìn)行的,能幫助你學(xué)習(xí)更多關(guān)于汽車研發(fā)過程的知識。另外,通過計算機建模與仿真分析,有時還會得到令你非常吃驚的結(jié)論。最近,美國汽車工程師學(xué)會(SAE)發(fā)表了一篇由加拿大國家研究委員會的KevinCooper博士撰寫的論文。KevinCooper博士在論文中指出:卸掉皮卡車車廂的后擋板,不僅不能降低空氣阻力從而像預(yù)期的那樣節(jié)省燃油,實際上還會導(dǎo)致皮卡車耗油量的增加。但是根據(jù)常識,我們好像都能想象得出車廂后擋板會引起額外的空氣阻力。而且我們也曾經(jīng)見到過那些用來代替車廂后擋板的塑料網(wǎng)格,還看過那些宣稱使用這種網(wǎng)格擋板可以增加車輛的續(xù)駛里程的廣告。誠然,卸掉擋板看起來好像能夠減小空氣阻力,但是經(jīng)過一些試驗和仿真分析(包括風(fēng)洞測試和計算機建模仿真)之后,卻證明事實并非如此。當(dāng)討論如何合理地設(shè)計出一個新的機器零部件時,一般有兩種基本方法。第一種方法就是所謂的托馬斯·愛迪生法。愛迪生,這個來自MenloPark的天才,在發(fā)明燈泡的過程中,首先列出了所有可能用做燈絲的材料,然后分別對這些材料進(jìn)行測試,直到找到合適的材料為止。在找到鎢作為燈絲之前,愛迪生使用過數(shù)以千計的材料,同時也進(jìn)行了數(shù)千次的試驗。可以想象,那些追求效率的專家們對這種設(shè)計方法會做何感想!第二種方法是:開始時先擬定部件所必須滿足的一系列要求,然后根據(jù)這些要求再確定使用哪種材料以及采用哪種可行的設(shè)計方案。材料與設(shè)計方案必須具有需要的特性,以保證設(shè)計的部件能夠滿足開始時擬定的要求。之后就可以草擬一個設(shè)計方案。要是在以前,接下來的工作可能又會按愛迪生法進(jìn)行:先按設(shè)計方案制造一個部件樣品,然后對樣品進(jìn)行測試,一般情況下這階段的樣品不能滿足要求;所以需要修改設(shè)計方案,然后生產(chǎn)新的樣品并重新進(jìn)行測試。在當(dāng)今競爭激烈的汽車行業(yè)中,如果還應(yīng)用這樣的設(shè)計方法,將會付出令人無法接受的代價。一個完整的設(shè)計有效性(DV)測試會花費6個月甚至更長的時間,還會消耗掉數(shù)量巨大的試驗器材以及大量的測試工時。因此我們需要一種能夠在部件制造出來之前就能檢驗其性能的方法,以確保將要進(jìn)行設(shè)計正確性測試的部件能夠滿足要求。通過這種方式,只需要進(jìn)行一次設(shè)計正確性測試,就可以生產(chǎn)新部件的樣品,至少從理論上講是這樣。以鋼質(zhì)橋梁為例,當(dāng)橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計完成之后,我們可以用數(shù)學(xué)的方法來確定將會施加在橋梁上面的載荷。通過掌握橋梁所用鋼材的屬性、橋梁的長度以及橋梁將會受到的載荷,我們就有可能在橋梁建設(shè)之前,便能夠校核這種橋梁結(jié)構(gòu)是否具有足夠的強度。校核過程中所使用的材料力學(xué)方程式可以用相對簡單的計算工具進(jìn)行求解。我們現(xiàn)在所面臨的問題在于,汽車上需要的那些零部件比起橋梁結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多。例如一個電子傳感器,它是由多種材料制成的,并且具有復(fù)雜的外形與結(jié)構(gòu)。在實際使用過程中,傳感器還要能夠承受振動與沖擊,并經(jīng)受極端溫度以及各種腐蝕性流體的腐蝕。要想在這些復(fù)雜零部件生產(chǎn)出來之前,測定其設(shè)計正確性,就需要利用上面提到的計算機三維建模與仿真技術(shù)?，F(xiàn)在有兩種計算機建模方式被廣泛地使用:有限元分析(FEA)與計算流體動力學(xué)(CFD)。有限元分析用以對像車軸、車架這樣的實體模型所受的機械應(yīng)變和應(yīng)力進(jìn)行仿真分析。如果零部件所受到載荷是空氣這樣的流體,或者是電場與磁場這樣的時變場,這樣的問題可以使用計算流體動力學(xué)來解決。這兩種建模方法已經(jīng)存在很長一段時間了,但是它們采用的程序和運行這些程序的計算機技術(shù)卻一直在不斷地發(fā)展,就算和5年前相比,現(xiàn)在的程序和計算機技術(shù)也已經(jīng)發(fā)達(dá)得多。正是由于計算機與軟件技術(shù)的不斷發(fā)展,以及新產(chǎn)品開發(fā)所需時間與成本應(yīng)不斷減少這一要求,使得計算機建模能夠成為汽車工程設(shè)計中基本的方法。有限元分析和計算流體動力學(xué)基于不同的科學(xué)原理。有限元分析是在20世紀(jì)50年代首次提出來的。在FEA和CFD軟件發(fā)展起來之前,工程師們用微積分方法來解決模型的數(shù)值分析計算問題。這種方法是將模型細(xì)分為無限多的小單元然后進(jìn)行處理。有限元法是將模型細(xì)分為確定數(shù)量或有限數(shù)量的單元。這種方法的理論依據(jù)來自于羅伯特·胡克于1678年提出的胡克定律。胡克定律指出:彈性物體的變形量與加載在該物體上的力成比例。用公式表示就是:F=kx,即:物體所受的力等于其變形量x乘以一個比例系數(shù)k。這就意味著,如果先計算出某一個單元的受力,然后就能確定與之相鄰單元的受力。如果接著再計算出這些相鄰單元周圍單元的受力,那么就能確定另一層單元的受力。按這種方法進(jìn)行下去,最終就能確定出物體中的所有單元的受力情況。CFD分析方法是建立在納維-斯托克斯(N-S)數(shù)學(xué)方程基礎(chǔ)之上的,N-S方程描述了流體是如何流動的。采用CFD分析問題時,我們將感興趣的區(qū)域細(xì)分為大量的單元或控制體。N-S方程是一個偏微分方程,我們可以將它改寫成表示相鄰單元的速度、溫度和壓力之間關(guān)系的代數(shù)方程。然后用數(shù)值方法求解這些代數(shù)方程,從而可以得到一個完整而精確的氣流圖或者得到一個對每個單元格進(jìn)行描述的完整的數(shù)值解。最后對這些方程的結(jié)果做進(jìn)一步的處理,直至得到所研究區(qū)域氣流運動的完整描述。在KevinCooper博士的論文中,他利用包括CFD分析法在內(nèi)的多種分析方法,得出了他的結(jié)論。他使用多種常見的全尺寸卡車,在風(fēng)速為75mile/h(120km/h)的風(fēng)洞中進(jìn)行測試。測試中,他對卡車在車廂后擋板關(guān)閉、降低或卸掉時的三種不同狀態(tài)分別進(jìn)行了測試。其中一輛卡車上裝有膠管制成的網(wǎng)格狀車廂后擋板,還有一輛車上裝有一個可調(diào)的座后置物板,該置物板能夠放在車廂的不同部位。然后用風(fēng)洞平衡法測量各種情況下卡車所受氣動力與力矩的六個分量?？ㄜ嚨目諝庾枇ο禂?shù)(Cd)已被標(biāo)準(zhǔn)化,這樣可以使分析的焦點集中在車廂的空氣動力特性上。所有的測量都得到一個相同的基本結(jié)論,那就是降低車廂后擋板會使空氣阻力稍稍增加,而卸掉車廂后擋板將會使空氣阻力大大增加。所有的測量都是在卡車正面直接對準(zhǔn)氣流的情況下進(jìn)行的。通過風(fēng)洞測試,KevinCooper博士還得到了另外一個有趣的結(jié)論:6.5英尺(約2米)車廂的擋板降低或卸掉后,其阻力的增加量要比8英尺(約2.4米)車廂的擋板在降低或卸掉后的阻力增加量大得多。而安裝網(wǎng)格擋板后則會得到最壞的結(jié)果。例如,在一次測試中用網(wǎng)格擋板代替實體擋板之后,空氣阻力系數(shù)從0.48增加到了0.53。KevinCooper博士在論文中指出,真正能夠起到減小空氣阻力作用的是卡車座后置物板。同樣很有趣的是,在一輛卡車上靠近車廂后擋板處安裝一個20英寸(約508毫米)的局部座后置物板,與安裝一個能完全覆蓋車廂的座后置物板相比,發(fā)現(xiàn)前者空氣阻力的減少量為后者的88%。從車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性上看,對于一輛8英尺車廂的卡車,安裝全覆蓋座后置物板之后,估計1加侖(4.55升)燃油可以多行駛1.35英里(2.17公里),即該卡車行駛16萬公里可以省油1106升。相反,對同一輛卡車而言,如果不安裝座后置物板,而是把擋板換成網(wǎng)格擋板,與后擋板關(guān)閉而不安裝座后置物板的情況相比,在同樣使用1加侖燃油的情況下,前者要比后者少行駛1.28英里(2.06公里)。為了減小空氣阻力而卸掉車廂后擋板是一個明智之舉嗎?風(fēng)洞測試與道路測試已經(jīng)回答了這個問題。但是為什么卸掉擋板后空氣阻力反而會增加呢?這兩種測試卻都回答不了這個問題。為了解答這個問題,KevinCooper博士和他的科研組的同事們利用CFD軟件來模擬皮卡車車廂及其周圍的空氣流動情況。他們發(fā)現(xiàn),當(dāng)車廂后擋板關(guān)閉時,車廂中會形成一個氣流分離區(qū),該氣流分離區(qū)使得從卡車前部流向尾部的空氣從車廂的上方流過。而當(dāng)卸掉車廂后擋板之后,則會有一股較強的下降氣流迫使從卡車前部流向尾部的空氣流過車輛的后保險杠。正是駕駛室后面這些強大的下降氣流導(dǎo)致了整車空氣阻力的增加。在論文的結(jié)論中,KevinCooper博士指出,對一般的皮卡而言,讓車廂后擋板保持關(guān)閉狀態(tài)能夠節(jié)省的燃油量,相當(dāng)于在高速路上行駛16萬公里節(jié)省555升的燃油。對一輛皮