基于 Kriging 模型的某 SUV 底盘气动性能分析与优化

汽车 2024-10-28 20:30 湖南

全文约2550字预计阅读时间：8分钟

汽车底部的零部件较多且结构复杂。当汽车运动时，流经汽车底部的气流比较紊乱，如果没有对这部分气流进行有效的组织导流，就会对汽车的行驶阻力产生不利的影响。

1.整车原始模型

此次仿真分析不考虑乘客舱的气流流动情况，去除了乘客舱特征,保留了车身外形、机舱和底盘的零部件特征，处理后的几何模型如图1所示。

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对修改后的几何模型和计算域进行网格划分，在车身周围设置多个局部网格加密区，更好地捕捉车身周围的流场现象，设置边界层网格并生成体网格。建立完成的仿真模型如图 3 所示。

2 仿真分析方法与边界条件

汽车行驶时周边气体流速不高，压力变化小，所以在研究汽车外部气流流动时，可以忽略压缩性的影响。此次模拟假设汽车外部流场中不存在侧风作用，同时文献中对轿车外流场CFD分析中常用κ－ε湍流模型做了对比分析和实验验证，证明了Realisableκ－epsilon模型更适合轿车的气动性能分析。本文作者选用Realisable κ－epsilon湍流模型。边界条件设置如表1所示其控制方程如下:

3 原始模型外流场分析

通常情况下，车身底部凹凸不平，这会阻碍底部气流流动。由图4可见:在前、后轮腔和油箱周围区域，有许多混乱的气流，气流直接冲向汽车底部的凹凸物，这些规律的运动会伴随着能量的损失，从而增大整车风阻。由图5可见:在前、后轮腔和油箱周围区域，出现了湍流动能较大的情况。

湍流的出现会造成气流能量的损耗，是气流不稳定流动的表征，湍流动能越大，意味着气流相互之间的扰动越大，能量损失也越大，导致汽车行驶阻力的增加。

4 原始模型底盘气动性能优化

4. 1 初始优化方案

针对原始模型中底盘气流的特点，在底盘增加4块长方体形状的阻风板，安装位置如图6所示。

4. 2 结果对比

对增加阻风板后的模型进行仿真，与原始模型的流场对比如图 7、图8所示。

可以看出: 增加阻风板后底盘气流更加平顺，冲向轮腔和底盘凹凸物的气流明显减少，降低了气流在汽车底部的动能损失，湍流动能下降，从而降低整车的气动阻力。

4. 3 风洞试验验证

对增加阻风板的模型进行风洞试验，风洞是3 /4开口回流风洞，喷口面积为27m2，试验环境温度为26～27 ℃，相对湿度35%，大气压力103.1～103. 3kPa。压力测点布置在车体表面、前格栅、前保、机舱盖、前风挡、后视镜、车顶、侧门、侧玻璃、C柱、D柱、后保等中线位置，共40个。试验时车辆为半载状态，风速120km/ h的整车风阻系数为0. 3805，仿真试验结果为0.3837，误差为0.84%，仿真结果与试验结果数据吻合度较高，仿真方法和仿真结果有较高的可信度。

5 初始方案进一步优化

5. 1 试验设计分析

阻风板位置和宽度对风阻的影响不大，暂且不考虑这两个因素的影响。选取前、后阻风板的高度、曲率和倾斜角度共6个变量作为此次优化的变量，变量范围如表2所示，在网格变形软件Sculptor中建立对应的参数化模型，采用优化拉丁超立方方法在变量范围中选取40组样本点进行试验设计，获取各变量与风阻系数之间的关系，为建立近似模型提供依据。

5. 2 试验设计结果讨论

图9所示是前、后阻风板各变量的Pareto图，图中@ High、@ low代表该变量的不同水平，可见: 6个变量中，前阻风板长度、前阻风板倾角和后阻风板弧度半径对整车风阻系数的影响较大，且前阻风板长度、前阻风板倾角与整车风阻系数呈正相关的关系，后阻风板弧度半径与整车风阻系数呈负相关的关系。

10—图12是6 个变量之间交互作用较明显的交互效应，可知:后阻风板长度与弧度半径之间、前阻风板长度与倾斜角之间、前阻风板长度与弧度半径之间交互效应明显;但同时后阻风板长度、前阻风板长度的主效应也比较明显，这两个变量在其他变量的影响下，引起整车风阻系数的变化趋势是一致的，只是变化幅度有所差别，优化时根据各变量之间交互作用关系适当调整各变量的优化范围。

5. 3 建立近似模型与自动寻优

近似模型方法(Approximation Models)，通过构建逼近输入变量和响应变量关系的数学模型，替代仿真软件高昂的计算代价。这种方法加快了寻优速度，减小了计算量并缩短计算周期。由试验设计获得的各变量与风阻系数之间的关系，建立近似模型。

图13为Kriging模型散点，散点离等值线越近则代表拟合精度越好，此次Kriging模型的拟合精度系数R2为0. 944。此次优化选用Kriging模型。选用多岛遗传算法 ( MIGA) 在整个设计优化空间进行寻优。

遗传算法是借助自然界生物的遗传和进化过程而发展形成的一种整体的优化算法，这种方法模仿生物进化的遗传繁殖机制，对优化个体进行编码，然后对编码后的个体进行选择、交叉、变异等遗传操作，在优化过程中具有很好的鲁棒性。故使用该方法在整个优化空间内进行自动寻优。

5. 4 最终优化结果与原始模型流场对比

提取近似模型最优解各变量的变化值重新建模，并进行虚拟风洞计算，对近似模型的预测结果进行仿真验证，结果如表3所示。

近似模型的预测值与仿真值之间误差值为1. 2%，误差较小，即优化后模型风阻系数降低4. 15%，优化效果良好。优化后的前、后阻风板如图14 所示，优化前、后汽车底盘流场对比分别如图15、图16所示。

由图15可见:在前、后轮腔和油箱周围区域，直接冲向汽车底部凹凸物的气流减少，进入前、后轮腔的气流减少，从而减少了原来这些区域带来的能量损失。由如图 16可见:在前、后轮腔和油箱周围区域的湍流动能减小，意味着气流相互之间的扰动有所减弱。优化前、后阻风板后方主要部件的风阻如表4所示: 优化后车底主要部件的风阻有所降低，表明汽车底盘下的流场得到了有效的组织，从而降低了整车的气动阻力。

6 结论

( 1) 通过虚拟仿真、虚拟优化、风洞试验到再虚拟优化、虚拟风洞验证的方式，确认了优化方案的可行性，同时提高了虚拟仿真的可信度。

( 2) 在汽车底盘采用合适的阻风板对车型底部流场有较大的积极作用，能有效改善车底的紊乱气流，降低整车风阻。

( 3) 阻风板各结构参数变量之间存在交互作用，确定优化方案时可根据现实需要确定各参数的变化量。

( 4) 运用试验设计、网格自适应与Kriging近似模型相结合的方法，能够帮助工程快速地找到较优解。

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