工業造型設計教學中CFD軟件的應用論文
摘要：為提高工業設計專業學生的工程實踐能力，本文以工業設計專業交通工具課程設計為例，淺談如何將CFD軟件與車身造型設計教學相結合，嘗試性的教學實踐證明：這一利用CFD軟件替代傳統風洞試驗的教學方法可以進一步激發學生對造型設計和流體分析的學習興趣，并加深對基本理論的理解。
關鍵詞：工業設計；CFD；交通工具；流體分析
1前言
工業設計是一門結合工業工程技術與藝術美學相互交叉形成的，以現代化批量生產的工業產品造型設計為主要研究對象的新興學科。在教學當中如何激發學生的創新思維能力，全面提高學生的綜合素質，培養具有創新意識和能力的創新型人才是當前工業設計專業教育的重中之重。筆者從事工業設計專業教學多年，深刻的認識到在教學中引入新興技術是將理論教學與實踐教學相結合的最佳方法。交通工具課程設計的課題如果放在企業中，設計人員往往可以根據一些客觀的美學規律來進行前期的外觀設計[1]。之后再進行流體分析，以分析結果為基礎進行修改，從而得到最終的設計方案。但這一方法放到教學當中卻存在很多問題。首先風洞試驗耗時長且成本高，不能滿足學生大量實驗的要求。其次風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，對于本科生來說實驗難度偏高。由于上述原因，目前國內將風洞試驗真正引入本科教學的高校很少。
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輛的外觀造型來進行改良設計或概念設計。隨著社會的發展，社會意識和審美觀念的改變，追求獨特使得現代人對汽車樣式的個性化設計要求越來越高。車身設計發展到今天，僅滿足審美方面的需求是遠遠不夠的。在油價飛漲的今天，由汽車造型的氣動最優化而帶來的低能耗設計，無疑是眾多消費者追捧的對象。車身外觀的氣動最優化在汽車車身造型發展史中是人們一直追求的目標。據測試，一輛汽車以每小時一百公里的速度行駛時，發動機輸出功率的百分之八十都用來克服空氣阻力。通過空氣動力學分析汽車運行時的受力情況，是汽車燃油性、環保性的主要的決定因素之一。所以學生們在進行車身造型設計時，對自己設計方案的氣動特性進行優化與分析就成了必不可少的一個學習環節。
3教學案例
3.1空氣動力學設計分析
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、側向和垂直方向。汽車前端的不同形狀會產生不同的壓力系數，其風阻系數也會不同。理論上來說，完全流線型的前端曲面是最理想的設計，但是其可行性并不高。所以，在設計時，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]空氣動力學在汽車車身造型設計的應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計主要是應用空氣動力學通過減小迎風面積和降低風阻系數來進行優化的。
3.2fluent分析流程
Fluent軟件用來模擬在一定范圍內的流體的復雜流動，通過多種求解方法和多重網格劃分等技術，來求出汽車在流體力場所受產生的壓力圖，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支持。由于軟件計算的復雜性等原因，先需要建一個大體的粗模，然后用gambit軟件進行網格劃分，最后再將文件導入到fluent軟件中進行相應的計算。為了節省不必要的計算時間，應該對車型進行最大程度的簡化。刪除多余細節，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格導入fluent之后，開始建立求解模型，然后進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，完成后就可以觀察計算結果，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節設計了。學生利用CFD軟件進行車身造型分析可以激發他們對造型設計和流體分析的學習興趣，并加深對基本理論的理解。通過實踐證明這一教學方法是非常有效的。圖1壓力對比圖示例在計算機技術日新月異的今天，利用計算機輔助車身設計的技術已經日趨成熟。筆者嘗試在教學中利用CFD軟件對汽車造型進行空氣動力分析和優化，提出了一些對這一軟件結合車身優化設計的體會與思考，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.產品設計美學構成與本質探討[J].機電產品開發與創新,2008,21,(3):41-43.
[2]康全.基于空氣動力學的轎車外形設計[D].吉林大學,2008.
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