工業(yè)造型設(shè)計教學(xué)中CFD軟件的應(yīng)用

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摘要：為提高工業(yè)設(shè)計專業(yè)學(xué)生的工程實踐能力，本文以工業(yè)設(shè)計專業(yè)交通工具課程設(shè)計為例，淺談如何將CFD軟件與車身造型設(shè)計教學(xué)相結(jié)合，嘗試性的教學(xué)實踐證明：這一利用CFD軟件替代傳統(tǒng)風(fēng)洞試驗的教學(xué)方法可以進一步激發(fā)學(xué)生對造型設(shè)計和流體分析的學(xué)習(xí)興趣，并加深對基本理論的理解。

關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計；CFD；交通工具；流體分析

1前言

工業(yè)設(shè)計是一門結(jié)合工業(yè)工程技術(shù)與藝術(shù)美學(xué)相互交叉形成的，以現(xiàn)代化批量生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計為主要研究對象的新興學(xué)科。在教學(xué)當(dāng)中如何激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和能力的創(chuàng)新型人才是當(dāng)前工業(yè)設(shè)計專業(yè)教育的重中之重。筆者從事工業(yè)設(shè)計專業(yè)教學(xué)多年，深刻的認(rèn)識到在教學(xué)中引入新興技術(shù)是將理論教學(xué)與實踐教學(xué)相結(jié)合的最佳方法。交通工具課程設(shè)計的課題如果放在企業(yè)中，設(shè)計人員往往可以根據(jù)一些客觀的美學(xué)規(guī)律來進行前期的外觀設(shè)計[1]。之后再進行流體分析，以分析結(jié)果為基礎(chǔ)進行修改，從而得到最終的設(shè)計方案。但這一方法放到教學(xué)當(dāng)中卻存在很多問題。首先風(fēng)洞試驗耗時長且成本高，不能滿足學(xué)生大量實驗的要求。其次風(fēng)洞試驗后期結(jié)果的分析處理需要大量的計算和數(shù)據(jù)歸納處理，對于本科生來說實驗難度偏高。由于上述原因，目前國內(nèi)將風(fēng)洞試驗真正引入本科教學(xué)的高校很少。

2流體分析與課程設(shè)計的具體結(jié)合

交通工具課程設(shè)計主要就是針對車輛的外觀造型來進行改良設(shè)計或概念設(shè)計。隨著社會的發(fā)展，社會意識和審美觀念的改變，追求獨特使得現(xiàn)代人對汽車樣式的個性化設(shè)計要求越來越高。車身設(shè)計發(fā)展到今天，僅滿足審美方面的需求是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在油價飛漲的今天，由汽車造型的氣動最優(yōu)化而帶來的低能耗設(shè)計，無疑是眾多消費者追捧的對象。車身外觀的氣動最優(yōu)化在汽車車身造型發(fā)展史中是人們一直追求的目標(biāo)。據(jù)測試，一輛汽車以每小時一百公里的速度行駛時，發(fā)動機輸出功率的百分之八十都用來克服空氣阻力。通過空氣動力學(xué)分析汽車運行時的受力情況，是汽車燃油性、環(huán)保性的主要的決定因素之一。所以學(xué)生們在進行車身造型設(shè)計時，對自己設(shè)計方案的氣動特性進行優(yōu)化與分析就成了必不可少的一個學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。

3教學(xué)案例

3.1空氣動力學(xué)設(shè)計分析

汽車在運行中圍繞汽車重心所受到的空氣阻力分為三個方向：縱向、側(cè)向和垂直方向。汽車前端的不同形狀會產(chǎn)生不同的壓力系數(shù)，其風(fēng)阻系數(shù)也會不同。理論上來說，完全流線型的前端曲面是最理想的設(shè)計，但是其可行性并不高。所以，在設(shè)計時，將汽車前端通過添加圓角的方法來盡量使汽車的前端曲線光滑，同時降低汽車的前端使其與汽車的前蓋呈現(xiàn)出光滑坡度的組合，就可以得到較好的空氣動力性效果。[2]空氣動力學(xué)在汽車車身造型設(shè)計的應(yīng)用則主要是研究汽車在行駛過程中，汽車周圍的空氣流動狀況和汽車所受空氣阻力的大小。本文中所用的測試模型設(shè)計主要是應(yīng)用空氣動力學(xué)通過減小迎風(fēng)面積和降低風(fēng)阻系數(shù)來進行優(yōu)化的。

3.2fluent分析流程

Fluent軟件用來模擬在一定范圍內(nèi)的流體的復(fù)雜流動，通過多種求解方法和多重網(wǎng)格劃分等技術(shù)，來求出汽車在流體力場所受產(chǎn)生的壓力圖，速度等值線圖等圖形，對于車身造型的研究提拱了良好的理論以及和技術(shù)支持。由于軟件計算的復(fù)雜性等原因，先需要建一個大體的粗模，然后用gambit軟件進行網(wǎng)格劃分，最后再將文件導(dǎo)入到fluent軟件中進行相應(yīng)的計算。為了節(jié)省不必要的計算時間，應(yīng)該對車型進行最大程度的簡化。刪除多余細(xì)節(jié)，只保留主要的曲面形狀。將車身沿中軸線分為對稱的兩個部分，在做分析時只需要分析一半，同樣可以獲得整車的效果。將車身主要曲面劃分成規(guī)整的矩形，這樣的面是最有利于計算的。將3個不同的車體造型網(wǎng)格導(dǎo)入fluent之后，開始建立求解模型，然后進行求解控制設(shè)置并且調(diào)整參數(shù)。完成迭代計算后等待結(jié)果收斂，完成后就可以觀察計算結(jié)果，壓力圖對比如圖1所示，1、3號模型汽車前端受壓力較大，相比之下2號車型受壓情況較為均與理想。后就可以以2號車型來進行進一步的車身造型細(xì)節(jié)設(shè)計了。學(xué)生利用cfd軟件進行車身造型分析可以激發(fā)他們對造型設(shè)計和流體分析的學(xué)習(xí)興趣，并加深對基本理論的理解。通過實踐證明這一教學(xué)方法是非常有效的。圖1壓力對比圖示例在計算機技術(shù)日新月異的今天，利用計算機輔助車身設(shè)計的技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。筆者嘗試在教學(xué)中利用CFD軟件對汽車造型進行空氣動力分析和優(yōu)化，提出了一些對這一軟件結(jié)合車身優(yōu)化設(shè)計的體會與思考，求教于專家和同行。難免有疏漏和不足之處望不吝斧正。

參考文獻：

[1]郭會娟.產(chǎn)品設(shè)計美學(xué)構(gòu)成與本質(zhì)探討[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2008,21,(3):41-43.

[2]康全.基于空氣動力學(xué)的轎車外形設(shè)計[D].吉林大學(xué),2008.

作者：束奇