工程師之間的協(xié)作通常會帶來創(chuàng)新,而豐田汽車公司的工程師通過與航空競賽團隊的合作,擴展了他們對汽車空氣動力學(xué)的了解。此次特別的合作采用了Ansys仿真技術(shù),可同時提高飛機與汽車的空氣動力方面的性能。
豐田汽車公司負責(zé)CAE技術(shù)研發(fā)的中江雄亮(Yusuke Nakae)一直與豐田的JSOL公司合作,使用Ansys LS-DYNA進行流體分析,測量車輛行駛時產(chǎn)生的空氣動力以及該力如何影響車輛的穩(wěn)定性。通過利用參照以往的汽車仿真經(jīng)驗改進航空競賽飛機,然后根據(jù)在航空競賽飛機上獲得的成功經(jīng)驗對雷克薩斯汽車進行改進,中江的團隊實現(xiàn)了使用傳統(tǒng)方法無法得到的分析。
從傳統(tǒng)到實驗空氣動力學(xué)
車輛空氣動力學(xué)的傳統(tǒng)測試方法,包括在汽車靜止時向其施加風(fēng)力,然后通過實驗和計算測量變化情況。中江團隊想了解汽車在運動時與靜止時的空氣外力有何不同,這啟發(fā)了中江團隊嘗試對運動的車輛進行分析。具體而言,他們希望使用LS-DYNA對車輛變道時的空氣動力形態(tài)進行仿真。
正常分析(汽車靜止時施加風(fēng)力)獲得的結(jié)果與汽車運動時獲得的結(jié)果截然不同。然而,在駕駛汽車時測量空氣作用力仍然是一大挑戰(zhàn)?即使在風(fēng)洞中也是如此。中江團隊希望使用仿真定量分析空氣動力差異。由于豐田以LS-DYNA作為標準工具進行碰撞安全性能分析,而LS-DYNA也具有流體分析功能,該團隊認為,如果他們可以為其模型添加流體分析功能,就可以創(chuàng)建一種使用單個求解器分析多個物理特性的理想環(huán)境。
雷克薩斯贊助了參加紅牛特技飛行錦標賽的室屋義秀(Yoshihide Muroya)。2017年,中江團隊首次在比賽前測試了他們關(guān)于飛機空氣動力學(xué)的理論。
飛機空氣動力學(xué)結(jié)果有利于汽車設(shè)計
在飛機領(lǐng)域,空氣動力學(xué)分析通常在靜止狀態(tài)下進行,因此讓航空競賽團隊將汽車仿真中使用的知識和專業(yè)技巧應(yīng)用于飛機競賽設(shè)計確實是一大挑戰(zhàn)。
部分問題在于空氣速度的差異。
飛機速度非??欤菪龢w機以每小時350公里的速度飛行),而汽車速度很慢,以每小時100公里的速度行駛。此外,飛機是流線型的,而汽車則不是,所以其基體周圍的空氣流動是完全不同的。這意味著研究人員無法準確計算空氣動力,除非他們能夠再現(xiàn)空氣的流動(尤其是在湍流條件下)。
機翼的空氣動力學(xué)仿真
幸運的是,目前有大量關(guān)于飛機機翼的實驗數(shù)據(jù),因此中江團隊可以選擇適當(dāng)?shù)耐牧髂P烷_展飛機應(yīng)用分析。
該團隊仿真了不同運動導(dǎo)致的不同的空氣動力,他們采用高性能計算機進行復(fù)雜的計算、編譯數(shù)據(jù)、可視化,并與航空競賽團共享。
在航空競賽期間,團隊對飛行技術(shù)進行測試,分析他們所記錄的數(shù)據(jù),然后對更新的技術(shù)進行迭代測試。一位參賽對手甚至注意到室屋盤旋半徑更大而其總時間卻減少了。
航空競賽結(jié)果給新雷克薩斯汽車帶來了靈感
豐田/雷克薩斯從此經(jīng)驗中獲益匪淺。
“我學(xué)會了如何控制渦流,從氣動阻力的角度而言,有必要避免產(chǎn)生渦流,”中江說道?!拔彝ㄟ^試驗不同形狀的小翼并進行仿真分析,確定了空氣阻力最小的小翼設(shè)計,獲得了如何控制渦流的經(jīng)驗?!?/p>
在汽車應(yīng)用方面,團隊獲悉在汽車周圍產(chǎn)生有效渦流可以提高其動態(tài)性能。事實證明,實際性能與他們的理論構(gòu)想的一樣出色,并借此在一月份推出了雷克薩斯LC 500 Inspiration系列車型。這款限量版車型將471馬力V8豪華旅行轎跑車提升到全新水平。受航空競賽啟發(fā)的一個重大升級是碳纖維增強塑料后擾流板,該裝置模仿倒置的一種飛機機翼,其翼尖處產(chǎn)生渦流,可提高機動性和效率。
展望未來
雖然紅牛特技飛行世界錦標賽于2019年取消,但中江團隊將繼續(xù)努力進行空氣動力學(xué)仿真研究。
展望未來的汽車設(shè)計,豐田/雷克薩斯將持續(xù)探索陸空應(yīng)用,不斷利用他們學(xué)到的知識打造新產(chǎn)品。
中江表示:“仿真分析技術(shù)使我們能夠獲得顛覆傳統(tǒng)思維的方法和性能。”
審核編輯 :李倩
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原文標題:空氣動力學(xué) | 豐田借力仿真穿越天地之間
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