工業(yè)造型設計教學(xué)中CFD軟件的應用論文
工業(yè)造型設計教學(xué)中CFD軟件的應用論文
摘要：為提高工業(yè)設計專(zhuān)業(yè)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，本文以工業(yè)設計專(zhuān)業(yè)交通工具課程設計為例，淺談如何將CFD軟件與車(chē)身造型設計教學(xué)相結合，嘗試性的教學(xué)實(shí)踐證明：這一利用CFD軟件替代傳統風(fēng)洞試驗的教學(xué)方法可以進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生對造型設計和流體分析的學(xué)習興趣，并加深對基本理論的理解。
關(guān)鍵詞：工業(yè)設計；CFD；交通工具；流體分析
1前言
工業(yè)設計是一門(mén)結合工業(yè)工程技術(shù)與藝術(shù)美學(xué)相互交叉形成的，以現代化批量生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品造型設計為主要研究對象的新興學(xué)科。在教學(xué)當中如何激發(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)，培養具有創(chuàng )新意識和能力的創(chuàng )新型人才是當前工業(yè)設計專(zhuān)業(yè)教育的重中之重。筆者從事工業(yè)設計專(zhuān)業(yè)教學(xué)多年，深刻的認識到在教學(xué)中引入新興技術(shù)是將理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結合的最佳方法。交通工具課程設計的課題如果放在企業(yè)中，設計人員往往可以根據一些客觀(guān)的美學(xué)規律來(lái)進(jìn)行前期的外觀(guān)設計[1]。之后再進(jìn)行流體分析，以分析結果為基礎進(jìn)行修改，從而得到最終的設計方案。但這一方法放到教學(xué)當中卻存在很多問(wèn)題。首先風(fēng)洞試驗耗時(shí)長(cháng)且成本高，不能滿(mǎn)足學(xué)生大量實(shí)驗的要求。其次風(fēng)洞試驗后期結果的分析處理需要大量的計算和數據歸納處理，對于本科生來(lái)說(shuō)實(shí)驗難度偏高。由于上述原因，目前國內將風(fēng)洞試驗真正引入本科教學(xué)的高校很少。
2流體分析與課程設計的具體結合
交通工具課程設計主要就是針對車(chē)輛的外觀(guān)造型來(lái)進(jìn)行改良設計或概念設計。隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，社會(huì )意識和審美觀(guān)念的改變，追求獨特使得現代人對汽車(chē)樣式的個(gè)性化設計要求越來(lái)越高。車(chē)身設計發(fā)展到今天，僅滿(mǎn)足審美方面的需求是遠遠不夠的。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)的低能耗設計，無(wú)疑是眾多消費者追捧的對象。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。據測試，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)生們在進(jìn)行車(chē)身造型設計時(shí)，對自己設計方案的氣動(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)習環(huán)節。
3教學(xué)案例
3.1空氣動(dòng)力學(xué)設計分析
汽車(chē)在運行中圍繞汽車(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，其風(fēng)阻系數也會(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計，但是其可行性并不高。所以，在設計時(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)身造型設計的應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。本文中所用的測試模型設計主要是應用空氣動(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)模擬在一定范圍內的流體的復雜流動(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。由于軟件計算的復雜性等原因，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，最后再將文件導入到fluent軟件中進(jìn)行相應的計算。為了節省不必要的計算時(shí)間，應該對車(chē)型進(jìn)行最大程度的簡(jiǎn)化。刪除多余細節，只保留主要的曲面形狀。將車(chē)身沿中軸線(xiàn)分為對稱(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整的矩形，這樣的面是最有利于計算的。將3個(gè)不同的車(chē)體造型網(wǎng)格導入fluent之后，開(kāi)始建立求解模型，然后進(jìn)行求解控制設置并且調整參數。完成迭代計算后等待結果收斂，完成后就可以觀(guān)察計算結果，壓力圖對比如圖1所示，1、3號模型汽車(chē)前端受壓力較大，相比之下2號車(chē)型受壓情況較為均與理想。后就可以以2號車(chē)型來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步的車(chē)身造型細節設計了。學(xué)生利用CFD軟件進(jìn)行車(chē)身造型分析可以激發(fā)他們對造型設計和流體分析的學(xué)習興趣，并加深對基本理論的理解。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(chē)身設計的技術(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(chē)造型進(jìn)行空氣動(dòng)力分析和優(yōu)化，提出了一些對這一軟件結合車(chē)身優(yōu)化設計的體會(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：
[1]郭會(huì )娟.產(chǎn)品設計美學(xué)構成與本質(zhì)探討[J].機電產(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)外形設計[D].吉林大學(xué),2008.
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