CX1 概念车空气动力学设计，打造典型“美式肌肉车”风格

CX1 概念车的设计

CX1 是 Altair 公司为了满足汽车行业的设计和虚拟仿真需求而开发的一款概念车型。该车总长接近 5 米，外观具有典型的美式肌肉车的风格，具有视觉冲击力。

车辆的外形设计过程就是风险管理，设计师想要一个大胆而富有表现力的造型，如果在概念设计阶段空气动力学仿真就能发现潜在的设计缺点，就会规避风险。

空气动力学仿真不是为了验证设计师天马行空的想法，而是为了引导设计师寻找新的想法，在车身造型数据冻结之前，必须快速的提供优化方案。

但是，在概念设计阶段仿真需要的输入数据通常是缺失的，从草图到 Class A 的造型通常需要 2 周的时间。那么，我们如何在缺失造型数据的情况下将仿真工作前移呢？

答案就是，造型和仿真深度融合，借助高性能 GPU 计算服务器，1 天以内完成 1 轮设计迭代。

用 CX1 车型作为演示，设计师采用 Inspire Studio 的 PolyNURBS 样条工具，从 2D 草图直接创建 3D 车身。通常这比处理扫描点云数据更方便，无需清理几何。 

首先创建一个不包含细节的上车身造型，在此基础上再增加过渡的圆角特征，而且所有的造型变动可以很方便的交互式调整，设计师就像是在电脑上手动雕塑油泥模型

上车身的数据由于是 PolyNURBS 工具创造的，完全光滑，划分面网格只需几分钟。

下车身可以采用 HyperMesh CFD 的网格包面 Wrapper 工具简化后导入，再进行网格的装配和缝合。

HyperMesh CFD 的 Case Setup 中完成虚拟风洞的设置，例如地面移动系统，边界层抽吸，轮胎旋转，换热器阻力系数等参数的设定。

完成虚拟风洞设置后提交 GPU 计算，LBM 算法的 ultraFluidX 求解器通常可在 5~10 小时内（取决于 GPU 的类型和数量）完成一次高精度的瞬态 LES 大涡模拟仿真。

CX1 的空气动力学设计迭代

• CFD 的结果不仅只查看升力系数和阻力系数，从流场细节中设计师可以判断造型对空气动力学的影响；

• 初版设计存在的问题：总体风阻较大，前轮升力向下，后轮向上，影响操控；

• 空气动力学工程师直接在 Inspire Studio 中修改造型，并快速验证。

CX1 初版设计仿真结果

CX1 初版设计仿真结果

初版的前脸设计在转角处造成气流分离较大，气流在前轮的侧面形成一个较宽的低速区，造成额外的风阻。

CX1 初版设计仿真结果

设计师意识到如果仅对前脸的转角进行局部修型，会牺牲原有的特征线风格。因此，对整个前脸的造型进行重新设计，从而整体上看起来更自然，更符合审美。

前脸调整前后的对比

设计师考虑了美学设计，又兼顾了空气动力学性能；

可以看出前脸的气流分离情况得到显著改善。

初版设计

前脸第一次调整

3D 流线图显示，修改前脸造型后气流更好的贴合车身。实际上还可以进一步微调造型，减少前轮下游的气流分离。

初版设计

前脸第一次调整

汽车的溜背设计（FAST BACK）理论上可以起到减小后窗气流分离区，提高车背下压力和减少空气阻力的作用。

从初版仿真结果分析，在车后尾迹区形成了两个较大的漩涡，不断地耗散能量，而且在车背上形成的低压区会产生更大的压差阻力。

初版设计

如果仿真工程师等待造型部门更新一版数据，可能需要数天。Inspire Studio 在 20 分钟内完成车背的改型，导出成 STL 格式，利用之前的模板文件立即重新在虚拟风洞中计算。

PolyNURBS 工具在数十分钟内即可完成对溜背特征线的调整

对腰线设计的调整减少了尾涡强度，后备箱线条的调整也可以减少诱导漩涡的阻力。

尾部调整前后的对比

• PolyNURBS 工具使得 CFD 工程师无需等待造型部门更新数据，数分钟内即可完成扰流板的设计；

• 合理设计的后扰流板可以降低局部气流速度，并提高气流分离角度，从而增大车身后方的压力，降低了压差阻力；

• 新增加的扰流板部件转为 STL, 无需网格的缝合操作，利用之前的模板文件，再次提交虚拟风洞计算。

调整了车身溜背角度，侧腰线，增加了后备箱扰流板，可以看出尾涡区域减小了，而且还有改进的空间。

初版设计

后背第一次调整

车轮和轮罩约占总阻力的 20~30%， 轮毂的造型不仅影响空气动力学性能，也影响制动系统的通风散热。

原设计的轮辋有外凸特征，将附近气流外推，造成额外的乱流，改进后的轮辋较平。且俯视角度下完全隐藏在轮罩内，使气流更平顺通过。

初版轮辋设计

改进轮辋设计

ultraFluidX 的嵌套格子法模型可以支持轮辋的真实转动过程，提高阻力的预测精度。

下车体的设计也同样重要，底护板不仅可以减少气流对悬架，油箱、管路等的撞击，而且也能很好的改善尾涡的结构。CFD 工程师用 PolyNURBS 工具在数分钟内创建底护板，再次提交对比计算。

初版设计

增加底护板

底护板减少了乱流，提高了底部气流速度，产生低压区，从而降低了后轮的升力。

底护板不仅降低了底部气流阻力，也调整了车尾涡上下两股气流的平衡（从后窗向地面下冲的气流减弱）。

利用 Inspire Studio 造型 + ultraFluidX 仿真，完成 10 轮的初步改型设计，降低了 47 个 count 的风阻系数，和 80 个 count 的升力系数。

风阻发展曲线对比

风阻系数的迭代

总结

• 单纯降风阻其实不难，但是满足功能性和设计美学的空气动力学是具有挑战性的；

• 通过 CX1 概念车的演示模型可以说明车身造型和空气动力学仿真可以更好的结合；

• LBM 的算法特点和 GPU 的算力优势，使得车辆空气动力学设计迭代过程更加准确和便捷。

CX1 – Designed by Altair

关于 Altair 澳汰尔

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