工业造型设计教学中CFD软件的应用

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摘要：为提高工业设计专业学生的工程实践能力，本文以工业设计专业交通工具课程设计为例，浅谈如何将CFD软件与车身造型设计教学相结合，尝试性的教学实践证明：这一利用CFD软件替代传统风洞试验的教学方法可以进一步激发学生对造型设计和流体分析的学习兴趣，并加深对基本理论的理解。

关键词：工业设计；CFD；交通工具；流体分析

1前言

工业设计是一门结合工业工程技术与艺术美学相互交叉形成的，以现代化批量生产的工业产品造型设计为主要研究对象的新兴学科。在教学当中如何激发学生的创新思维能力，全面提高学生的综合素质，培养具有创新意识和能力的创新型人才是当前工业设计专业教育的重中之重。笔者从事工业设计专业教学多年，深刻的认识到在教学中引入新兴技术是将理论教学与实践教学相结合的最佳方法。交通工具课程设计的课题如果放在企业中，设计人员往往可以根据一些客观的美学规律来进行前期的外观设计[1]。之后再进行流体分析，以分析结果为基础进行修改，从而得到最终的设计方案。但这一方法放到教学当中却存在很多问题。首先风洞试验耗时长且成本高，不能满足学生大量实验的要求。其次风洞试验后期结果的分析处理需要大量的计算和数据归纳处理，对于本科生来说实验难度偏高。由于上述原因，目前国内将风洞试验真正引入本科教学的高校很少。

2流体分析与课程设计的具体结合

交通工具课程设计主要就是针对车辆的外观造型来进行改良设计或概念设计。随着社会的发展，社会意识和审美观念的改变，追求独特使得现代人对汽车样式的个性化设计要求越来越高。车身设计发展到今天，仅满足审美方面的需求是远远不够的。在油价飞涨的今天，由汽车造型的气动最优化而带来的低能耗设计，无疑是众多消费者追捧的对象。车身外观的气动最优化在汽车车身造型发展史中是人们一直追求的目标。据测试，一辆汽车以每小时一百公里的速度行驶时，发动机输出功率的百分之八十都用来克服空气阻力。通过空气动力学分析汽车运行时的受力情况，是汽车燃油性、环保性的主要的决定因素之一。所以学生们在进行车身造型设计时，对自己设计方案的气动特性进行优化与分析就成了必不可少的一个学习环节。

3教学案例

3.1空气动力学设计分析

汽车在运行中围绕汽车重心所受到的空气阻力分为三个方向：纵向、侧向和垂直方向。汽车前端的不同形状会产生不同的压力系数，其风阻系数也会不同。理论上来说，完全流线型的前端曲面是最理想的设计，但是其可行性并不高。所以，在设计时，将汽车前端通过添加圆角的方法来尽量使汽车的前端曲线光滑，同时降低汽车的前端使其与汽车的前盖呈现出光滑坡度的组合，就可以得到较好的空气动力性效果。[2]空气动力学在汽车车身造型设计的应用则主要是研究汽车在行驶过程中，汽车周围的空气流动状况和汽车所受空气阻力的大小。本文中所用的测试模型设计主要是应用空气动力学通过减小迎风面积和降低风阻系数来进行优化的。

3.2fluent分析流程

Fluent软件用来模拟在一定范围内的流体的复杂流动，通过多种求解方法和多重网格划分等技术，来求出汽车在流体力场所受产生的压力图，速度等值线图等图形，对于车身造型的研究提拱了良好的理论以及和技术支持。由于软件计算的复杂性等原因，先需要建一个大体的粗模，然后用gambit软件进行网格划分，最后再将文件导入到fluent软件中进行相应的计算。为了节省不必要的计算时间，应该对车型进行最大程度的简化。删除多余细节，只保留主要的曲面形状。将车身沿中轴线分为对称的两个部分，在做分析时只需要分析一半，同样可以获得整车的效果。将车身主要曲面划分成规整的矩形，这样的面是最有利于计算的。将3个不同的车体造型网格导入fluent之后，开始建立求解模型，然后进行求解控制设置并且调整参数。完成迭代计算后等待结果收敛，完成后就可以观察计算结果，压力图对比如图1所示，1、3号模型汽车前端受压力较大，相比之下2号车型受压情况较为均与理想。后就可以以2号车型来进行进一步的车身造型细节设计了。学生利用cfd软件进行车身造型分析可以激发他们对造型设计和流体分析的学习兴趣，并加深对基本理论的理解。通过实践证明这一教学方法是非常有效的。图1压力对比图示例在计算机技术日新月异的今天，利用计算机辅助车身设计的技术已经日趋成熟。笔者尝试在教学中利用CFD软件对汽车造型进行空气动力分析和优化，提出了一些对这一软件结合车身优化设计的体会与思考，求教于专家和同行。难免有疏漏和不足之处望不吝斧正。

参考文献：

[1]郭会娟.产品设计美学构成与本质探讨[J].机电产品开发与创新,2008,21,(3):41-43.

[2]康全.基于空气动力学的轿车外形设计[D].吉林大学,2008.

作者：束奇