下载文档原格式
系统仿真方法及其在汽车设计中的应用随着现代工业技术的逐渐发展，汽车设计成为一个复杂而庞大的系统。
为了更好地了解和掌握汽车系统的特点和运行方式，设计师们采用了一系列的系统仿真方法，以辅助设计、测试、分析和优化汽车系统的性能。
系统仿真是通过计算机模拟实现现实系统的运行过程，从而获得重要的数据和信息，以供设计师进行优化和改进。
在汽车设计中，系统仿真广泛应用于各个领域，包括车身结构、车辆动力学、空气动力学、车辆控制等方面。
下面将从这几个方面来介绍系统仿真及其在汽车设计中的应用。
1. 车身结构仿真车身结构是汽车设计的重要组成部分，其质量、安全性和刚度对车辆的性能有着直接的影响。
在车身结构仿真中，设计师们通过建立虚拟模型，分析车身结构的刚度、强度、疲劳等性能。
同时，也可使用材料仿真分析软件，如ABAQUS、ANSYS等软件，来确定合适的材料选择、结构设计和生产工艺。
通过车身结构仿真，设计师们可以在数字化设计阶段就对设计方案进行评估，逐步优化车身结构的性能。
同时，也可以有效降低设计成本和减少试错时间，提高生产效率和汽车质量。
2. 车辆动力学仿真车辆动力学仿真是模拟汽车行驶过程的一种方法。
它可以帮助设计师们更好地了解车辆的操控性能、稳定性和驾驶舒适度等方面的表现。
通过车辆动力学仿真，设计师们可以预测车辆在不同路况、加速和制动情况下的状态，以优化车辆的设计方案。
车辆动力学仿真可以利用专用软件，如GT-Power、Visual-Motorcycle、CarSIM等，根据车辆动力学原理和实测数据，建立数学模型，进行仿真分析。
3. 空气动力学仿真空气动力学仿真是为了优化车身外形，以减少气流阻力，提高车辆运行效率。
在空气动力学仿真中，设计师们根据车辆的外形、驾驶速度等因素，建立数学模型，模拟车辆在运行过程中的气流分布情况。
通过空气动力学仿真，设计师们可以预测车辆在不同驾驶速度和风速下的气流阻力和风噪声。
通过对气流阻力和风噪声的分析，设计师们可以对车辆的外形进行优化设计，从而实现更低的气流阻力。
汽车空气动力学仿真 Vehicle Aerodynamics Simulation 张扬军 Zhang Yang-Jun 清华大学汽车工程系应用空气动力学组汽车安全与节能国家重点实验室 Applied Aerodynamics Group, Dept of Auto Eng., Tsinghua Univ. State Key Lab of Automotive Safety and EnergyVehicle Aerodynamics Simulation 汽车空气动力学仿真 1 2 3 4 5 6 汽车空气动力学概述汽车空气动力学仿真特点汽车空气动力学仿真难点汽车空气动力学仿真平台仿真平台(VASS应用总结与展望 1 2 3 4 5 6 Introduction to Road Vehicle Aerodynamics Some Salient Features of Road Vehicle Flow Simulation Main Difficulties of Road Vehicle Flow Simulation Vehicle Aerodynamics Simulation System (VASS VASS Applications Conclusions and Open Features1 汽车空气动力学概述 1.1 空气动力学对汽车性能的影响 1.2 汽车空气动力学性能 1.3 汽车空气动力学特点 1.4 空气动力学研究方法 Introduction to Vehicle Aerodynamics 1.1 1.2 1.3 1.4 Vehicle Attributes Affected by Aerodynamics Vehicle Aerodynamics Characteristics Peculiarities of Road Vehicle Aerodynamics Methods for Vehicle Aerodynamic1.1 空气动力学对汽车性能的影响 Vehicle Attributes Affected by Aerodynamics 动力性经济性舒适性安全性美观性 Maximum speed & Acceleration Fuel Economy Comfort Safety Visibility1.2 汽车空气动力学性能 Vehicle Aerodynamics Characteristics 气动力气动力矩油耗、操纵稳定性流场结构流动机理、气动噪声、雨水流动、尘土堆积aerodynamic force and moment coefficients fuel economy, handling stability flow structure flow mechanism, aerodynamic noise, rain water, dust accumulating1.2 汽车空气动力学性能 Vehicle Aerodynamics Characteristics 冷却散热器、发动机、制动器和差速器冷却通风与换气进出风口位置、风量、风速及风路，除结雾性能 cooling radiator, engine, brake, and differential cooling ventilation & air-exchange properly locate openings for air inlets and outlets, air flow rate, velocity, air flow path, defrosting, etc.1.2 汽车空气动力学性能 Vehicle Aerodynamics Characteristics 空气动力分量阻力升力侧向力侧倾力矩横摆力矩纵倾力矩相关的动力性能油耗、最高车速、加速行驶稳定性抗侧风能力(侧移抗侧风能力(侧移抗侧风稳定性行驶稳定性力力矩 air force components air drag air forces lift side force rolling moment yawing moment pitching moment performance fuel economy, top speed, acceleration direction stability crosswind crosswind crosswind direction stability moment1.3 汽车空气动力学特点 Vehicle Aerodynamics peculiarities 研究空间有限目标多元化无法量化比较流动复杂many details primarily determined by “other th an aerodynamic” arguments the objectives of aerodynamics differing widely difficult to be quantified for weighing the relative importance complex flow1.3 汽车空气动力学特点 Vehicle Aerodynamics peculiarities 研究空间有限车身设计主要由机械工程学、人体工程学和美学等决定，外形和车内空气动力学设计优化的研究与应用均仅能在有限的机动空间中进行 many details primarily determined by “other than aerodynamic” arguments With the race car being the only exception, the shape of a road vehicle is not primarily determined by the need to generate specific aerodynamic effects--as, for instance, an airplane is designed to produce lift1.3 汽车空气动力学特点 Vehicle Aerodynamics peculiarities 无法量化比较汽车空气动力学优化设计与控制研究需考虑艺术、时尚和喜好。
汽车空气动力学的仿真与优化设计一、概述汽车空气动力学是指汽车与运动空气之间的相互作用。
汽车在高速行驶时会在前方形成一个压缩空气区，而在车身后方则形成一个低压区，这个区域叫做“尾流”。
汽车空气动力学仿真与优化设计可以帮助设计者在保证车辆外观美观的前提下，将车辆的空气动力学性能进行优化，从而提高车辆的性能。
二、汽车空气动力学仿真汽车空气动力学仿真是利用计算机对车辆在不同速度下的空气动力学特性进行模拟和分析。
通过仿真可以得到车辆的气动系数、压力分布、气动阻力、升力等等数据。
其中，气动系数指的是车辆外形、前进速度、气流方向等参数对空气动力学特性的影响。
在汽车空气动力学仿真时，需要采用数学模型对车辆在运动时所承受的气流压力、阻力进行分析，同时要考虑车辆的形状、尺寸、质量等因素。
针对不同的车型和设计方案，需要选取不同的数值模拟工具和方法。
以CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学）为例，利用CFD软件可以对空气在车辆表面流动的物理过程进行数值求解。
在求解过程中，需要将车身模型放入数值计算区域内，通过建立网格、设定运动状态和气流条件等设定参数，得出汽车在不同速度下的气动力学特性。
三、汽车空气动力学优化设计汽车空气动力学优化设计是指在保持车辆外观美观的前提下，对车辆外型进行改良，从而降低车辆的空气阻力和汽车的油耗。
优化设计主要包括以下几个方面：（一）车身风阻降低车身的设计和外形是在保证车辆美观的基础上进行优化的。
优秀的外形设计不仅能够提升车辆品质的形象，还可以通过降低车身风阻来减少空气阻力。
例如，凸起和边角分明的车身设计会导致流体分离，提高拖拽系数，增加风阻。
相反，流畅的车身设计会减缓空气流动并降低阻力，使车辆动力性能更好。
（二）提高车辆通风性在车辆高速行驶时，为了降低车辆的空气阻力，通风口和散热孔一般要尽量少，但是这也会导致车内温度过高。
因此，通过改变通风口位置或者设置特殊的气流引导装置，可以解决车内通风问题。
汽车仿真知识点总结一、汽车仿真的概念汽车仿真是指利用计算机技术对汽车的动力学、热力学、结构强度、流体力学、声学等特性进行数值计算和模拟，以评估汽车的性能和可靠性，并优化汽车的设计。
汽车仿真技术可分为车辆动力学仿真、车辆碰撞仿真、车辆热管理仿真、车辆空气动力学仿真等多个领域。
通过汽车仿真技术，可以更真实地模拟汽车在各种工况下的行驶和工作状态，加快产品设计和优化的速度，提高研发效率。
二、汽车仿真的应用领域汽车仿真技术在汽车工业中有着广泛的应用，主要包括以下几个方面：1. 汽车设计与开发：通过汽车仿真技术，可以对汽车的动力系统、传动系统、悬挂系统、车身结构等进行建模、分析和优化，确保汽车在各种工况下的性能和可靠性。
2. 碰撞安全性评估：通过碰撞仿真，可以模拟汽车在各种碰撞情况下的受力和变形情况，评估汽车结构的安全性，并优化车身设计，提高碰撞安全性。
3. 发动机燃烧仿真：通过发动机仿真技术，可以对发动机的燃烧过程、燃烧效率、排放性能等进行分析和优化，提高发动机的工作效率和环保性能。
4. 空气动力学优化：通过空气动力学仿真，可以对汽车外形、车身尺寸、车身细节等进行优化，降低风阻系数，提高汽车的空气动力学性能。
5. 热管理系统仿真：通过热管理仿真，可以对汽车的散热系统、冷却系统、空调系统等进行分析和优化，确保汽车在各种气候条件下的热管理性能。
三、汽车仿真的常用软件目前，汽车仿真领域有很多专业的仿真软件，常用的软件包括：ADAMS、CARSIM、RECDOYN、MATLAB、SIMULINK、GT-SUITE、ANSYS、FLUENT等。
这些软件在汽车动力学仿真、碰撞仿真、热管理仿真、空气动力学仿真等方面都具有优秀的性能和实用性。
不同的软件在不同的仿真领域有着各自的优势和适用性。
ADAMS是一款集成了多体动力学、刚体动力学和柔性体动力学的仿真软件，可用于汽车的动力学仿真和悬挂系统优化。
CARSIM是一款用于汽车动力学仿真和车辆控制系统仿真的软件，可用于汽车的悬挂系统、转向系统、制动系统等的建模和设计。
流体力学在汽车车身设计中的应用研究引言：流体力学是研究液体和气体运动规律的科学，它在汽车工程领域具有重要的应用价值。
在汽车车身设计中，流体力学可以帮助优化空气动力学性能，提高车辆的稳定性和燃油经济性。
本文将从空气阻力降低、气流分离控制和风噪优化三个方面介绍流体力学在汽车车身设计中的应用研究。
一、空气阻力降低空气阻力是影响汽车行驶性能和燃油经济性的重要因素。
通过流体力学的研究和分析，可以对车身外形进行优化，以降低空气阻力。
1.空气动力学仿真模拟：利用计算流体力学（CFD）软件对汽车车身进行数值仿真，模拟车辆在不同速度下的气流状态。
通过调整车身外形的曲线和倾斜角度等参数，优化空气流动路径，减小空气的湍流和分离现象，从而降低空气阻力。
2.气动附件优化：在汽车车身上加装气动附件，如风扰器、侧裙板、尾翼等，可以改变空气流动的方向和速度分布，减小气流分离和湍流现象，降低阻力。
此外，还可以利用可调节的气动附件，根据行驶速度和路况来调整气流的流向和强度，进一步优化空气动力学性能。
3.底部护板设计：底部护板是位于车辆底部的平整面板，通过调整其形状和倾斜角度，可以减小车辆下方的负压区域，降低阻力。
此外，合理设置底部护板的通风口，可以有效减小胎噪和风噪的产生。
二、气流分离控制气流分离是指气流在汽车车身表面分离成湍流或脱离车身造成气动阻力的现象。
通过流体力学的研究，可以控制和减少气流分离，提高汽车车身的气动稳定性和操控性能。
1.设计凸起和凹陷：在车身表面增加凸起和凹陷的设计，可以改变气流分离的位置和程度。
通过合理设置凸起和凹陷的位置、形状和数量，可以引导气流沿着车身表面流动，减少湍流和分离现象。
2.利用风洞实验：通过在风洞中对汽车车身进行实际测试，观察和测量气流的流线和压力分布情况。
根据实验结果，对车身进行优化调整，以改善气流分离问题。
3.控制尾部气流：尾部气流是影响汽车后部空气动力学性能的重要因素。
通过设计后扰流板、尾灯造型和尾部下压力装置等，可以控制尾部气流的流向和速度，减小尾部阻力，提高车辆稳定性。
高速列车空气动力学的数值仿真方法及分析高速列车在现代交通领域中扮演着重要的角色，而为了提升高速列车的速度和安全性能，空气动力学的研究变得尤为重要。
这个专门研究飞机、车辆和船只等运动体在空气中的运动规律、空气动力学特性及其影响的学科。
在高速列车的研究与设计中，数值仿真方法是必不可少的一环。
一、高速列车空气动力学模型高速列车空气动力学模型是指将高速列车的空气动力学问题抽象成为数学模型进行分析与计算。
这个模型通常包括流场方程、边界条件、初始条件等内容。
高速列车空气动力学模型的建立需要采取合理的假设和建模方法。
多数情况下，对于复杂的运动系统，难以通过解析的方式求解，因此需要采用数值方法。
最常用的数值方法是CFD（计算流体动力学）方法。
二、数值仿真方法数值仿真方法是在计算机上通过离散化连续问题得到近似解的方法。
对于高速列车航空动力学数值仿真，主要分为以下几个步骤：1.建立数学模型建立高速列车空气动力学模型时，需要确定模型的基本假设条件，建立数学模型。
数学模型通常是基于流动的守恒方程进行的，包括“质量守恒方程”、“动量守恒方程”、“能量守恒方程”等。
2.离散化在数值仿真中，原本连续的物理问题需要离散化以便计算机求解。
离散化涉及到空间离散和时间离散。
空间离散时需要将要求解的空间域分为许多离散的小体积，时间离散时则需要将求解的时间域分为许多小时间段。
3.求解数值解在数学模型得到离散化的表达后，需要求解数值解。
因为计算机计算时采用的是数值方法，因此众多未知数需要通过近似解进行求解。
常用的数值方法包括有限体积方法、有限差分方法、有限元方法等。
三、数值仿真方法的应用高速列车航空动力学数值仿真方法在实践中的应用不仅可以用来预测车身运动、风阻和气动力，还可以用来改进车身外形、增强稳定性和提高高速列车的性能。
1.升降阻力研究高速列车在高速运行时受到的空气阻力会使其在牵引力和牵引功率方面面临很大的压力。
因此，研究高速列车的升降阻力对于提高列车性能和降低能耗是非常重要的。
汽车空气动力学仿真Vehicle Aerodynamics Simulation张扬军Zhang Yang-Jun清华大学汽车工程系应用空气动力学组 汽车安全与节能国家重点实验室Applied Aerodynamics Group, Dept of Auto Eng., Tsinghua Univ. State Key Lab of Automotive Safety and EnergyVehicle Aerodynamics Simulation汽车空气动力学仿真1 2 3 4 5 6汽车空气动力学概述 汽车空气动力学仿真特点 汽车空气动力学仿真难点 汽车空气动力学仿真平台 仿真平台(VASS)应用 总结与展望1 2 3 4 5 6Introduction to Road Vehicle Aerodynamics Some Salient Features of Road Vehicle Flow Simulation Main Difficulties of Road Vehicle Flow Simulation Vehicle Aerodynamics Simulation System (VASS) VASS Applications Conclusions and Open Features1 汽车空气动力学概述1.1 空气动力学对汽车性能的影响 1.2 汽车空气动力学性能 1.3 汽车空气动力学特点 1.4 空气动力学研究方法Introduction to Vehicle Aerodynamics1.1 1.2 1.3 1.4Vehicle Attributes Affected by Aerodynamics Vehicle Aerodynamics Characteristics Peculiarities of Road Vehicle Aerodynamics Methods for Vehicle Aerodynamic1.1 空气动力学对汽车性能的影响Vehicle Attributes Affected by Aerodynamics动力性 经济性 舒适性 安全性 美观性Maximum speed & Acceleration Fuel Economy Comfort Safety Visibility1.2 汽车空气动力学性能Vehicle Aerodynamics Characteristics气动力气动力矩油耗、操纵稳定性流场结构流动机理、气动噪声、 雨水流动、尘土堆积aerodynamic force and moment coefficients fuel economy, handling stability flow structure flow mechanism, aerodynamic noise, rain water, dust accumulating1.2 汽车空气动力学性能Vehicle Aerodynamics Characteristics冷却散热器、发动机、制动器 和差速器冷却通风与换气进出风口位置、风量、风 速及风路，除结雾性能cooling radiator, engine, brake, and differential cooling ventilation & air-exchange properly locate openings for air inlets and outlets, air flow rate, velocity, air flow path, defrosting, etc.1.2 汽车空气动力学性能Vehicle Aerodynamics Characteristics空气动力分量 阻力 升力 侧向力 侧倾力矩 横摆力矩 纵倾力矩 相关的动力性能 油耗、最高车速、加速 行驶稳定性 抗侧风能力(侧移) 抗侧风能力(侧移) 抗侧风稳定性 行驶稳定性力 力矩air force components air drag air forces lift side force rolling moment yawing moment pitching momentperformance fuel economy, top speed, acceleration direction stability crosswind crosswind crosswind direction stabilitymoment1.3 汽车空气动力学特点 Vehicle Aerodynamics peculiarities研究空间有限 目标多元化 无法量化比较 流动复杂many details primarily determined by “other than aerodynamic” arguments the objectives of aerodynamics differing widely difficult to be quantified for weighing the relative importance complex flow1.3 汽车空气动力学特点Vehicle Aerodynamics peculiarities研究空间有限车身设计主要由机械工程学、人体工程学和美学 等决定，外形和车内空气动力学设计优化的研究 与应用均仅能在有限的机动空间中进行many details primarily determined by “other than aerodynamic” arguments With the race car being the only exception, the shape of a road vehicle is not primarily determined by the need to generate specific aerodynamic effects--as, for instance, an airplane is designed to produce lift1.3 汽车空气动力学特点Vehicle Aerodynamics peculiarities无法量化比较汽车空气动力学优化设计与控制研究需 考虑艺术、时尚和喜好。
而艺术、时尚 和喜好与气动性能的重要性是无法具体 量化比较的。
difficult to be quantified for weighing the relative importance While the process of weighing the relative importance of a set of needs from various disciplines is generally comparable to that in other branches of applied fluid mechanics, the situation in vehicle aerodynamics is unique in that an additional category of arguments has to be taken into account: art, fashion, and taste. In contrast to technical and economic factors, these additional arguments are subjective in nature and cannot be quantified.1.3 汽车空气动力学特点Vehicle Aerodynamics peculiarities目标多元化共同目标 不同目标 低阻力 负升力 通风与空调 气动噪声 侧风敏感性 赛车、高速车 轿车、公共汽车 轿车、公共汽车 轿车、厢式车the objectives of aerodynamics differing widely desirable for all road vehicle: low drag different requirements: negative lift race cars, high speed cars ventilation & air cond. cars, buses crosswind sensitivity cars, vans low wind noise cars, buses1.3 汽车空气动力学特点Vehicle Aerodynamics peculiarities几何结构复杂流动复杂粘性 湍流 强三维性 非定常 旋涡分离内外流相互作用 热交换 地面效应complex geometry external flow and internal flow interaction heat exchange ground effect Viscosity turbulence strong 3D effects unsteady vortex & flow separation1.4 空气动力学研究方法Methods for Vehicle Aerodynamics风洞试验堵塞效应 地面效应 投资大 周期长 内部流动困难数值仿真发展迅速 应用广泛 新途径wind-tunnel testing: blockage ground proximity effect high cost cost time difficulties for internal flow CFD, numerical simulation developed quickly widely used new design toolFeatures of Vehicle Aerodynamics Simulation2 汽车空气动力学仿真特点可预先研究 不受条件限制 信息丰富 成本低 周期短used in early design stage nearly no limitations more information low cost saving timeFeatures of Vehicle Aerodynamics Simulation2 汽车空气动力学仿真特点可预先研究性能研究 设计优化 提供依据used in early design stage performance research during the early design period, it can generate information before a testable model even exists. design & optimize aerodynamic design and performance study may be studied iterativelly wide range of design options CFD simulation is well suited to the analysis of a wide range of shape options, etc.设计初期：空气动力学性能预测、分析 与气动设计交叉进行，得最佳气动设计 为汽车造型、空调和通风系统的设计与 布置提供依据。
