工業(yè)造型設(shè)計(jì)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(jì)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，本文以工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)交通工具課程設(shè)計(jì)為例，淺談如何將CFD軟件與車(chē)身造型設(shè)計(jì)教學(xué)相結(jié)合，嘗試性的教學(xué)實(shí)踐證明：這一利用CFD軟件替代傳統(tǒng)風(fēng)洞試驗(yàn)的教學(xué)方法可以進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生對(duì)造型設(shè)計(jì)和流體分析的學(xué)習(xí)興趣，并加深對(duì)基本理論的理解。

關(guān)鍵詞：工業(yè)設(shè)計(jì)；CFD；交通工具；流體分析

1前言

工業(yè)設(shè)計(jì)是一門(mén)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(jì)為主要研究對(duì)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(shí)和能力的創(chuàng)新型人才是當(dāng)前工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)教育的重中之重。筆者從事工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)教學(xué)多年，深刻的認(rèn)識(shí)到在教學(xué)中引入新興技術(shù)是將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合的最佳方法。交通工具課程設(shè)計(jì)的課題如果放在企業(yè)中，設(shè)計(jì)人員往往可以根據(jù)一些客觀(guān)的美學(xué)規(guī)律來(lái)進(jìn)行前期的外觀(guān)設(shè)計(jì)[1]。之后再進(jìn)行流體分析，以分析結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行修改，從而得到最終的設(shè)計(jì)方案。但這一方法放到教學(xué)當(dāng)中卻存在很多問(wèn)題。首先風(fēng)洞試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)且成本高，不能滿(mǎn)足學(xué)生大量實(shí)驗(yàn)的要求。其次風(fēng)洞試驗(yàn)后期結(jié)果的分析處理需要大量的計(jì)算和數(shù)據(jù)歸納處理，對(duì)于本科生來(lái)說(shuō)實(shí)驗(yàn)難度偏高。由于上述原因，目前國(guó)內(nèi)將風(fēng)洞試驗(yàn)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(jì)的具體結(jié)合

交通工具課程設(shè)計(jì)主要就是針對(duì)車(chē)輛的外觀(guān)造型來(lái)進(jìn)行改良設(shè)計(jì)或概念設(shè)計(jì)。隨著社會(huì)的發(fā)展，社會(huì)意識(shí)和審美觀(guān)念的改變，追求獨(dú)特使得現(xiàn)代人對(duì)汽車(chē)樣式的個(gè)性化設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高。車(chē)身設(shè)計(jì)發(fā)展到今天，僅滿(mǎn)足審美方面的需求是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在油價(jià)飛漲的今天，由汽車(chē)造型的氣動(dòng)最優(yōu)化而帶來(lái)的低能耗設(shè)計(jì)，無(wú)疑是眾多消費(fèi)者追捧的對(duì)象。車(chē)身外觀(guān)的氣動(dòng)最優(yōu)化在汽車(chē)車(chē)身造型發(fā)展史中是人們一直追求的目標(biāo)。據(jù)測(cè)試，一輛汽車(chē)以每小時(shí)一百公里的速度行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率的百分之八十都用來(lái)克服空氣阻力。通過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)分析汽車(chē)運(yùn)行時(shí)的受力情況，是汽車(chē)燃油性、環(huán)保性的主要的決定因素之一。所以學(xué)生們?cè)谶M(jìn)行車(chē)身造型設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)自己設(shè)計(jì)方案的氣動(dòng)特性進(jìn)行優(yōu)化與分析就成了必不可少的一個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。

3教學(xué)案例

3.1空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)分析

汽車(chē)在運(yùn)行中圍繞汽車(chē)重心所受到的空氣阻力分為三個(gè)方向：縱向、側(cè)向和垂直方向。汽車(chē)前端的不同形狀會(huì)產(chǎn)生不同的壓力系數(shù)，其風(fēng)阻系數(shù)也會(huì)不同。理論上來(lái)說(shuō)，完全流線(xiàn)型的前端曲面是最理想的設(shè)計(jì)，但是其可行性并不高。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)，將汽車(chē)前端通過(guò)添加圓角的方法來(lái)盡量使汽車(chē)的前端曲線(xiàn)光滑，同時(shí)降低汽車(chē)的前端使其與汽車(chē)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(dòng)力性效果。[2]空氣動(dòng)力學(xué)在汽車(chē)車(chē)身造型設(shè)計(jì)的應(yīng)用則主要是研究汽車(chē)在行駛過(guò)程中，汽車(chē)周?chē)目諝饬鲃?dòng)狀況和汽車(chē)所受空氣阻力的大小。本文中所用的測(cè)試模型設(shè)計(jì)主要是應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)通過(guò)減小迎風(fēng)面積和降低風(fēng)阻系數(shù)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化的。

3.2fluent分析流程

Fluent軟件用來(lái)模擬在一定范圍內(nèi)的流體的復(fù)雜流動(dòng)，通過(guò)多種求解方法和多重網(wǎng)格劃分等技術(shù)，來(lái)求出汽車(chē)在流體力場(chǎng)所受產(chǎn)生的壓力圖，速度等值線(xiàn)圖等圖形，對(duì)于車(chē)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(jì)算的復(fù)雜性等原因，先需要建一個(gè)大體的粗模，然后用gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后再將文件導(dǎo)入到fluent軟件中進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。為了節(jié)省不必要的計(jì)算時(shí)間，應(yīng)該對(duì)車(chē)型進(jìn)行最大程度的簡(jiǎn)化。刪除多余細(xì)節(jié)，只保留主要的曲面形狀。將車(chē)身沿中軸線(xiàn)分為對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)部分，在做分析時(shí)只需要分析一半，同樣可以獲得整車(chē)的效果。將車(chē)身主要曲面劃分成規(guī)整的矩形，這樣的面是最有利于計(jì)算的。將3個(gè)不同的車(chē)體造型網(wǎng)格導(dǎo)入fluent之后，開(kāi)始建立求解模型，然后進(jìn)行求解控制設(shè)置并且調(diào)整參數(shù)。完成迭代計(jì)算后等待結(jié)果收斂，完成后就可以觀(guān)察計(jì)算結(jié)果，壓力圖對(duì)比如圖1所示，1、3號(hào)模型汽車(chē)前端受壓力較大，相比之下2號(hào)車(chē)型受壓情況較為均與理想。后就可以以2號(hào)車(chē)型來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步的車(chē)身造型細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)了。學(xué)生利用cfd軟件進(jìn)行車(chē)身造型分析可以激發(fā)他們對(duì)造型設(shè)計(jì)和流體分析的學(xué)習(xí)興趣，并加深對(duì)基本理論的理解。通過(guò)實(shí)踐證明這一教學(xué)方法是非常有效的。圖1壓力對(duì)比圖示例在計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異的今天，利用計(jì)算機(jī)輔助車(chē)身設(shè)計(jì)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(duì)汽車(chē)造型進(jìn)行空氣動(dòng)力分析和優(yōu)化，提出了一些對(duì)這一軟件結(jié)合車(chē)身優(yōu)化設(shè)計(jì)的體會(huì)與思考，求教于專(zhuān)家和同行。難免有疏漏和不足之處望不吝斧正。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭會(huì)娟.產(chǎn)品設(shè)計(jì)美學(xué)構(gòu)成與本質(zhì)探討[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新,2008,21,(3):41-43.

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

作者：束奇