经典工程硕士毕业论文范文篇一
第 1 章 绪论
1.1 论文的研究背景和意义
1886 年，德国人 Karl Benz 创造出人类史上第一辆由内燃机驱动的汽车，由此拉开了汽车工业发展史的序幕，人类从此进入了汽车时代。经过人们不断的努力，汽车从发动机代替马拉动力，到简单的行驶系统，逐步具备并完善了传动系统、制动系统，使得汽车从一个简单的雏形发展到结构精密的现代汽车。当一辆汽车在水平路面上匀速行驶时，它不仅会承受到来自地面的滚动阻力，还会受到汽车周围气流的气动力与力矩的作用[1]。汽车刚诞生时，由于汽车速度较低，承受的气动力不大，汽车气动特性的研究并没有得到足够的重视。随着汽车工业和高速公路网的迅猛发展，汽车工业进入一个崭新而快速的发展时期，汽车各项性能和速度都得到了很大的提高。在汽车高速行驶时，气动力对汽车的作用会特别明显，成为特别重要而又不可忽视的问题。该气动力对汽车作用主要体现在所产生的气动升力和气动阻力对汽车的影响上。汽车受到的气动阻力影响着汽车的驱动性能和燃油经济性，而汽车承受的气动升力不仅关系着汽车的附着力，还会引发诱导阻力，影响着汽车的驱动性能、操纵稳定性、舒适性以及行驶安全性[2]，车速高时，这些影响就会变得尤为显著，与此同时人们也对于汽车的性能提出了越来越高的要求，自此人们开始将更多的目光放在了汽车气动特性的研究上，研究工作也日益深入。石油的不可再生性以及燃料的日益紧缺诸如此类的问题都造成了石油价格的上涨以及能源的严重短缺，并使汽车节能技术受到了前所未有的关注，如何让汽车更节能变得更为重要。很多汽车公司竞相采取各种措施来降低汽车的油耗率，其中，通过减小汽车气动阻力来降低汽车的燃油消耗是一项极其行之有效的措施。我国是一个人口大国，汽车的需求量甚为巨大，汽车产业更是我国的支柱产业，但国内的汽车研发技术相对落后，自主研发能力不强，缺乏市场竞争力，这不仅阻碍了我国经济的蓬勃发展，更严重制约了我国汽车工业从中国制造向中国创造的转变。提高我国汽车气动特性的研究水平，是我国汽车工业的重要课题之一。因此对汽车气动特性的研究是决定我国汽车工业在当今世界残酷的竞争中能否取胜的重要决胜点之一，极其具有现实意义和实用价值。
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1.2 课题相关研究内容的国内外研究历史和现状
随着汽车技术的进步，车速有了很大的提高，气动阻力所占的比例进一步增大，气动升力也有增加的趋势，气动阻力影响汽车动力性和燃油经济性，作用在汽车上的气动升力将直接影响着汽车和乘车人员的安全，二者都大大地影响着汽车的使用性能。石油危机的出现不仅引发了石油价格的大幅度上涨，而且造成燃料严重短缺，这些因素都推动了对汽车气动特性的研究。从 1910 年人们就开始考虑汽车的气动力问题。自 20 世纪 80 年代开始，欧美等国家的汽车工业集团已经开始致力于开发和利用数值模拟方法来研究汽车的气动特性，并取得了很大的进步。20 世纪 20 年代，德国贾莱•克兰柏勒提出了水滴状(前圆后尖)的最小气动阻力外形设计方案。随后的四十年里，又相继出现了甲虫型、气流流线型、船型、鱼型等各种气动阻力相对较小的外形的汽车。80 年代以后，欧美等发达国家生产的现代流线型汽车，都装有整体式或前导流罩式导流罩，因此导流罩不仅可以作为一种装饰，提升整体的美感，更重要的可以改善汽车的气动性能和其他使用性能。1960 年，法拉利公司的汽车设计师们在汽车的尾部增加一个气翼（即后扰流板），以大幅度降低汽车的气动升力甚至产生一个完全向下的压力，而气动阻力系数也只是稍微有所增加。
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第 2 章 汽车空气动力学理论基础
2.1 汽车空气动力学简介
空气动力学是流体力学的一个重要部分[6]。它是在流体力学的基础上，随着计算机技术的发展而逐渐成长起来的一个学科。空气动力学发展主要体现在实验研究的进步上，包括风洞等各种实验设备的发展和实验理论以及测试技术的发展。空气动力学是研究物体在空气中运动时，物体与空气之间的相互作用关系的一门学科，是流体力学的一个重要部分。顾名思义，汽车空气动力学研究的是汽车与周围空气相对运动时，两者之间相互作用关系，分析作用在汽车上的各种气动力以及力矩，以改善汽车行驶时气动性能的一门科学[7]。其研究内容包括车身外流场和内流场两部分。本文研究的主要是车身外流场，车身外流场研究的是汽车在流场中所受的六分力（气动阻力、气动升力、侧向力及相应的各力矩）的作用而产生的车身外部的气流特性、侧风稳定性以及气动噪声特性[8]。
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2.2 气动特性对汽车性能的影响
汽车的气动特性不仅在很大程度上影响着汽车的驱动性能、燃油经济性及操纵稳定性，也关系着乘客的舒适性以及汽车的行驶安全性。汽车具有良好的气动特性不仅可以提高汽车的动力性、燃油经济性，还可以改善汽车的操纵稳定性和行驶的稳定性，进而改善汽车的安全性[9]。随着汽车设计制造技术的进步和对汽车性能要求的提高，汽车的气动特性已成为汽车设计师们所必须考虑的重要内容之一。CFD（COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS）是计算流体力学的简称，是运用CFD 软件对车身流场进行数值模拟的方法。在过去的几十年中，随着计算机技术和数值模拟计算的不断发展，最初只能通过试验法进行的研究如今可以通过 CFD 数值模拟方法得到一样的结论，CFD 数值模拟方法被越来越多地运用到汽车设计中[19]。CFD 数值模拟方法与风洞试验相比有许多不可比拟的优越性，比如：具有可预见研究、应用范围广、速度快、成本低，不需要设计模型和加工模型的周期。CFD 数值模拟方法推进了对汽车气动特性的研究，越来越多的汽车公司采用 CFD 数值模拟方法来缩短汽车研发周期和研发成本。
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第 3 章 汽车车身外部扰流器...... 17
3.1 汽车车身外部扰流器概述 ........ 17
3.2 汽车车身外部扰流器的类型....... 18
3.3 汽车车身外部扰流器的设计原则......... 20
3.4 汽车车身外部扰流器的几何模型......... 21
3.4.1 汽车车身的几何模型 ........ 21
3.4.2 汽车车身外部扰流器的几何模型 .... 22
3.5 本章小结..... 22
第 4 章 车身外部扰流器外流场的数值模拟 ...... 25
4.1 计算流体力学概述......... 25
4.2 车身外部扰流器 CFD 数值模拟模型构建......... 25
4.3 车身外部扰流器 CFD 数值模拟方法分析......... 29
4.4 本章小结..... 38
第 5 章 车身外部扰流器对汽车气动特性影响分析 ...... 39
5.1 独立车身模型的气动特性分析..... 39
5.2 复合车身模型的汽车气动特性分析 ...... 43
5.3 不同车速时复合车身模型的汽车气动特性分析 ........ 48
5.4 车身外部扰流器尺寸对汽车气动特性的影响 .... 57
5.5 本章小结 .... 58
第 5 章 车身外部扰流器对汽车气动特性影响分析
对车身外流场进行 CFD 数值模拟的目标是对汽车外形进行改进，改善汽车的气动特性。决定汽车的气动特性主要有两个因素，即流经汽车表面的气流的速度大小和压力的分布情况，通过分析流经汽车表面气流的速度大小和压力分布情况，可以判断汽车承受的气动力产生的根源以及存在的状态，为改善轿车的气动性能提供指导作用。论文建立的两个网格模型的网格数量均在 80～90 万。设定迭代的最大截断误差在四阶量级以下，也就是小于 10-4，在设置汽车的气动阻力系数、气动升力系数等收敛曲线监视器之前先迭代 300 步，再迭代 1000 步，直至收敛。
5.1 独立车身模型的气动特性分析
车身外流场的主要评价指标包括速度大小，压力分布和气动力系数等，这些指标都直接表征了汽车在行驶时与气流的相互作用关系。车身表面的压力分布情况不仅直接影响汽车行驶时所受到的气动阻力，还与汽车行驶稳定性有一定的关系，其平衡性可作为汽车外形设计的评价指标之一。本文选取有代表性的车身纵向对称面与车身表面，对车身外流场进行模拟仿真分析，得到整个外流场的速度矢量图、压力云图以及车身上、下表面的压力云图。汽车在路面上行驶时，它除了受到来自地面的滚动阻力以外，还会与周围的气流产生相对运动，由此而产生气动力与力矩。汽车前方气流首先遇到汽车头部，使气流流动受到阻碍，流速降低，在汽车头部形成正压区。气流被分为两部分，一部分流向车身上方，经前挡风玻璃、驾驶室顶向车尾流去；另一部分气流则流向下方，通过底盘下部向汽车尾部流去，如图 5.1、图 5.2 所示。
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结论
为了能够进一步的改善汽车的使用性能，关于汽车气动特性方面的研究一直被国内外汽车设计师与研发人员广泛关注着。随着湍流模型与计算机技术的进步和发展，CFD 数值模拟方法在汽车空气动力学附件物的研究上得到了甚为广泛的运用。本文以某款汽车为对象，应用 CAD 软件 CATIA 建立了加装车身扰流器前的全车身三维独立车身几何模型和加装车身扰流器后的全车身三维复合车身几何模型，将所建立的独立车身及复合车身几何模型导
