毕业设计（论文）-法拉利飞行汽车流场数值及模态分析.doc

南昌航空大学本科毕业论文法拉利飞行汽车流场数值及模态分析摘要：随着科技的发展，交通工具日益多样化 ，但交通拥堵和空气污染等问题仍然存在。人类便用其无穷的想象力将交通的发展推向了天空，不满足于飞机和汽车的分离模式，现对一种两栖的交通工具-飞行汽车的发展和研究正进行得如火如荼。本文以法拉利的一款车系为参考模型，根据国内外对飞行汽车的研究情况和法拉利飞行汽车的发展情况，将其改造为一种机翼可伸缩的具有跑车外形的飞行汽车，然后着重对该飞行汽车进行流场数值分析，对其可伸缩机翼进行模态分析。根据可伸缩机翼飞行汽车各组件的布置情况，借鉴国内外对飞行汽车的研究资料，参考法拉利汽车的外形尺寸，利用三维建模软件SOLIDWORK建立飞行汽车的三维几何模型。然后运用ANSYS13.0 workbench对该飞行汽车分别在有机翼和无机翼的情况下进行网格划分，再导入FLUENT求解器采用标准湍流模型进行求解，分别求出并分析其有机翼车身、无机翼车身和机翼的压力云图和速度矢量图，得出两种情况的空气动力特征。最后根据模态分析理论，用workbench中的modal模块对此飞行汽车的可伸缩机翼进行模态分析，得出在主翼端固定于车身后的6阶固有频率。关键字：法拉利飞行汽车 伸缩机翼 流场数值分析 模态分析 固有频率全套图纸加扣3012250582 指导老师签名： Numerical and Modal Analysis of Ferrari Flying Car Abstract：With the development of science and technology, the types of transport and vehicle are becoming more and more various. However, there still exist some problems, such as traffic jams and air pollution. The human beings depending on their unique imagination push the future of traffic into sky. As the result of dissatisfied with the separation of plane and car, they invent a new kind of vehicle-flying car. This paper regards one product of Ferrari as the model for design. According to the international research on flying car and some information about Ferrari flying car, this car is transformed to a flying car with telescoped morphing wings. And then it is studied in flow filed in a numerical method. The wings of the car are also on research in modal analysis.According to international reference on the arrangement about every part of flying car, this flying car in the paper based on a product of Ferrari is designed. This paper used 3D software SOLIDWORKS set the geometry modal of this flying car with the dimension of Ferrari car. Subsequently, this modal is on research in ANSYS 13.0 WORKBENCH. It is meshed in two situations: with wings and without wings. And then it is put into the FLUENT and analyzed in standard modal. The statistic pressure contours and velocity vector in the two situations are obtained. The aerodynamics characteristics of this flying car with wings and without wings where its main wing fixed are also concluded. Lastly, the modal analysis of the telescoped morphing wings is studied in WORKBENCH, which gives its six natural frequencies.Keywords: Ferrari flying car telescoped morphing wings numerical analysis modal analysis natural frequencySignature of Supervisor:目 录1 绪论1.1 引言11.2 飞行汽车研究概况1 1.2.1国外研究情况1 1.2.2国内研究现状5 1.2.3法拉利飞行汽车的研究情况61.3汽车空气动力学的发展81.4本文的基本思路和主要工作内容102法拉利飞行汽车的三维设计2.1设计参考112.2SolidWorks软件概述122.3车身设计122.4机翼设计203流场数值分析3.1流体力学基础253.2流体流动的控制方程253.3ANSYS CFD 13.0软件概述27 3.3.1FLUENT软件概述28 3.3.2FLUENT的求解技巧29 3.3.3FLUENT的湍流模型303.4有机翼的法拉利飞行汽车流场分析313.5带机翼的飞行汽车结果分析35 3.5.1车身的流场数值分35 3.5.2机翼流场数值分析383.6无机翼的法拉利飞行汽车流场分析393.7无机翼汽车的结果分析423.8法拉利飞行汽车的空气动力特征444法拉利飞行汽车的机翼模态分析4.1模态分析概念及应用454.2模态分析理论464.3模态分析说明474.4机翼模态分析485全文总结54参考文献55致 谢561绪论1.1引言交通拥堵是车轮通勤族的灾星，许多人尤其是工作人群每周都要受困其中。现在人口的增长是十分快速的，人们需要乘坐交通工具，尤其对私家车的购买越来越多，这便造成了公路交通的拥堵，不过还有很大的部分原因是当前对交通运输系统的扩建，速度还是不够快，不能够满足人类越来越多的需求。对此，解决的方法之一，就是开创一种无需依赖公路的新型交通体系；这一体系很可能会在未来使交通拥堵成为20世纪的古董，即求助于天空。显然在不是太长距离的情况下，飞机是满足不了这样的要求的，那么人类便发明了一种新的交通工具，名曰飞行汽车，并开始着手研究了，自从1917年第一辆飞行汽车出现以后，人们对飞行汽车进行了大量的探索。当今交通堵塞问题越来越严重，每个国家都在竞争中研究和发展飞行汽车的设计和制造，在这个领域的研究受到越来越多的重视。并且发展目标已经不再局限于仅仅解决交通问题，在各种条件下的侦察、地址勘测、护林及特种作业等也将成为飞行汽车的工作领域。很多年来，许多发明家和飞机爱好痴迷者们已经设计出了性能良好的飞行汽车，其实现在全在世界范围内已经获得了许多种飞行汽车专利并且也成功研发制造出许多能飞的样机。有一些国家研制的样机已经投入小批量生产。美国在2004年，欧盟各国也紧随其后，在2005年出台了新法规和新标准，只要飞行机动车的各项性能指标达到相应的国家标准要求且质量不超过600kg就允许私人拥有。飞行汽车的研制已经成为大势所趋。1.2飞行汽车研究概况1.2.1国外研究情况1. 旋翼式PAL-V荷兰三轮飞行汽车PAL-V目前飞行汽车的研究中最为成功,对它的研究开始于1999年，并在2006年推出了概念车，现在已经有样车了，它是把汽车摩托车和旋翼机这两种类型设计成为一体化了，拥有许多优点，比如它有摩托车的优点，还有直升机的优点。无论是在陆地还是在空中均具有良好的动力性能。这款飞行车在燃油性能方面有着良好的经济性，因为它采用了双燃料双转子发动机和约翰独创的自动倾斜控制专利技。这让它的动力很突出，而且因为有着摩托车的优点，它便可以自动地调整倾斜角度灵活地进行转向操作，在安全性能方面，安全气囊ABS防抱死装置GPS微型通信系统等现代主动和被动安全设备都有配置，这样能够保证它在陆地上能够安全行驶。陆空两种模式之间的转换，只需要一个按钮便能轻松搞定，起飞和登陆都是在按完按钮后通过在车身顶部的螺旋桨和车后的尾翼推进器（固定在车身外壳）来实现的，它会自动的伸出或缩回，达到轻松的起飞和着陆。为了达到不予商业的民航飞机产生冲突的目的，这款车将只在1200m以下的空域飞行。2009年4月27日，PAL-V欧洲公司向荷兰的交通部长展示了样车，同时进行了试飞。PAL-V的首款计划应该会提供给紧急救援机构，并定于2012年投产1。图1.1旋翼式PAL-V2.垂直起降飞行汽车-多发动机无机翼式SKY CAR M400以前有在美国加州大学担任教授的保尔.莫勒设计了一款飞行汽车，这是垂直起降的飞行汽车的典型代表。它被命名为SKY CAR M400，飞行性能是非常不错的，但是陆地性能就相对较差，只能在路面状况良好的情况下行驶。SKY CAR M400是供4人乘坐的一款飞行汽车，它有4个发动机舱并且配置了8台改进型的转子发动机，它利用风扇来专门提供需要的升力，同时采用了动可转动发动机，这使得它的动力结合装置十分巧妙。它的前后的4个发动机会在汽车重量增加的情况下，向上倾斜45度，然后发动机舱内的风扇顺着气流会再转动45度，垂直向上的升力便是由这两个45度的组合产生的，并且这个升力是为两个力的合力。这款飞行汽车能在狭小的面积上垂直起飞和降落，也可以自由地悬停于空中。而且这款车的三垂尾的气动干扰小、效率高，从而稳定性和操纵性都是十分好的，这都是源于它高置的水平尾翼，因此整辆车的机动性也是特别好的。SKY CAR M400利用了GPS全球定位系统卫星导航，是完全实现了计算机操控的，它能够帮助驾驶者自动到达目的地，仅仅是通过输入地址或电话号码。这款飞行汽车的内外部都安排有降落伞和安全气囊，是在飞行途中出现意外情况时可以释放出来，起到缓冲保护的作用。SKY CAR M400 经过了成功的试飞，原型机在2012年前开发，有人预测，如果该款车获得了美国联邦航空局的许可，就会在2012年之后的几年内实现量产，并且估计每架售价会达到50万美元，但是购买它就必须获得美国联邦航空管理局的批准1。图1.2多发动机无机翼式SKY CAR M4003.非垂直起降飞行汽车-折叠式TransitionTransition在2009年3月10日经过37s、900余米后成功着陆，实现了首飞成功，它的陆空转换模式的时间时间仅仅用了30s。令人感叹的是该车的动力只是用了一台发动机（普通无铅汽油）来提供。处于飞行模式时，该车的轴驱动固定桨距会推进螺旋桨的运行；处于汽车模式时，该车能通过为它设计的无级变速器来对前轮进行驱动，车的机体是用碳纤维复合材料来制造的，它的机翼铰链和悬挂接头均采用了铝部件来制造。为了让家庭用户能够快速掌握驾驶技巧，它将驾驶舱设计成轿车一样的驾驶室。为了减少对空间的占用，它使用了能够折叠的机翼设计。如果驾驶员需要实行飞行操作，那么按一下模式转换的按钮就可以了，这样该飞行汽车的机翼就会进行自动的展开。并且驱动前轮的发动机的模式也会变为驱动螺旋桨发动机的模式，接着便会进行一段短距离的滑跑，得到足够的升力进入空中；从飞行模式转换为陆地行驶时，驾驶员同样可以按下模式转换按钮，这样机翼就会自动从根部和中间向机身后方折叠收起，发动机也自动转换成前轮驱动的发动机模式，慢慢便变身成为四轮汽车。Transition飞行汽车的飞行操纵系统和汽车驾驶系统都是非常符合标准并且是完全独立的两套操作系统。驾驶舱有双荧屏显的示器，能够通过模式转换按钮来自动切换机车动作的显示，飞行操作时为飞行显示器，陆地行驶时就会变为汽车仪表。这款车配置了一些高端科技装备，比如全球卫星定位系统等，这使得它驾驶操作非常的简单。为防止发生意外，模式按钮如果被按下使汽车从飞行模式变为陆地模式来实现着陆，那么在飞机还没有完全登陆之前，机翼的折叠会通过内部锁定机构来控制。只有当汽车的机轮完全承受了飞行汽车的重量，并且发动机的传动也已经完全转变为了汽车模式，机翼的折叠才会开始进行。同样，在飞行员成功输入个人的识别码后，汽车模式也转变为了飞机模式，机翼的展开也才会开始，展开后该车还会进行一段缓慢的滑行。检查并且确认该飞行汽车没有故障之后，整辆车便开始进入准备起飞滑跑的程序，这样才能保障它的驾驶安全。图1.3折叠式Transition4.动力伞飞行汽车-Para-Jet Sky Car这款飞行汽车是一款单发动机“飞行汽车”，可以双人并列连座，减震底盘、高平尾和空气螺旋桨推进器都采用了高性能的。除了变形金刚的强悍外形十分特别外，它还拥有优越的越野性能，而且能够在空中自由飞行。该飞行汽车在由陆地行驶模式转换为空中飞行模式时只需要3分钟，非常适合度假时的飞行旅行，可以翱翔于山河或者是海滨上空。在陆地行驶时，只需要4.2秒便可以从起步加速到100公里，最大行驶速度高达220公里/时，行驶里程可以达到600公里。处于空中飞行模式后，这辆“飞行汽车”只需要借助200米的土跑道就能靠伞翼起飞，实现动力飞翔，其空中飞行巡航速度157公里/时，升限4575米，航程500公里。它被称为超级梦幻飞行汽车，因为它采用了生物燃料，提供了燃料来源的多样化，节能减排，非常环保。它采用了动力伞作为飞行方式，操作方式与动力伞相同。这是首款采用生物燃料的飞行汽车也是第一辆符合现行规章和法律的即将上市销售的飞行汽车。图1.4Para-Jet Sky Car1.2.2国内研究现状中国首辆国内第一辆飞行汽车2012年9月底制造成功，它是由西安美联航空技术有限责任公司负责研发和生产的。整个飞行汽车的重量是450克，最大起飞重量为600千克，旋翼长度为8.4米，行车模式时的长度、宽度、高度分别是4.6米、2.0米、1.46米，行车速度达到120km/h。这款车采用了双轮进行驱动，装配了一个70升大小的油箱，可以使用的燃料是普通的97#有铅或者无铅汽油，最大的巡航速度是180km/h。此飞行汽车的发动机采用的是航空活塞式的，可以飞行34小时，成本比其他飞机要低廉得多。该飞行汽车的头部呈扁圆弧形，两侧装有LED灯，顶部和尾部装有旋翼，底盘安装了4个车轮，室内可容纳两人乘坐。采用的方向盘和座椅均与F1赛车一模一样，座椅的材料是玻璃钢材质。该汽车的外部材料采用的是碳纤维和高强度钛合金。它在地面行车的状态操作和普通汽车操作是一样的，在空中的操作与普通的自旋翼飞机一样。驾驶员通过控制油门的大小来控制飞行汽车的飞行速度，在飞行中汽车的俯仰可以通过前后推拉驾驶杆来进行控制，左右压杆和脚蹬方向舵是用来控制飞行汽车的方向的。该飞行汽车的起飞不需要借用专门的机场跑道，一个30米左右的助跑场地就可以帮助它成功起飞，降落的话也只需要一个10米长度的跑场就可以了。把飞行模式变为陆地行驶的汽车模式时，只需要模式转换按钮就可以折叠主支架和旋翼，前后需要的时间不超过10分钟。飞机发动机在空中停车后可以自旋着陆。在被动安全方面，其前舱配备有应急降落伞，在飞行汽车有机械故障应急着陆。这款飞行汽车售价为人民币两百万元左右，价格只是直升飞机价格的五分之一。图1.5中国首辆飞行汽车1.2.3法拉利飞行汽车的研究情况水陆两栖汽车的初次在世界上亮相让人们都十分惊奇，现在法拉利想要将在汽车领域的发展上升到空中，而且两年之内法拉利新款飞行汽车可能会投入到市场中。图1.6飞行汽车工作原理图图1.7法拉利飞行汽车概念图在美国，有设计师将一辆法拉利跑车作为他们将要设计的一款新型飞行汽车的基本原型，造价可能花费50万英镑。目前预测这款新型飞行汽车的在陆地行驶时的速度可以达到160公里每小时，飞行时的速度可以达到240公里每小时。如果该飞行汽车能够量产，那么人类世界的交通拥堵问题即可解决。这款飞行汽车身上装有8个风扇。在地面行驶时，风扇会为该汽车提供稳定的推动力，而且该推动力不会太大以至于影响到汽车的行驶。在该飞行汽车驶入到空中后就会变得像直升飞机一样，能够自由俯冲，能够飞到前面，也能够随时转换方向，向左或向右。它所携带的燃料能保证飞到约比1500米的高空更高的空域。设计该款飞行汽车的设计师卡尔金师介绍道，该款飞行汽车采用了混合燃料和电力系统，会实现很好地为发动机提供动力，由此产生推动力可以达到800马力，当加了一次油后，它在陆地上行驶的距离将会达到240公里，在空中飞行的里程也会达到120公里。但是目前该款汽车仍然只是处于初期设计阶段，仅仅能看到它的实验模型。有一名俄罗斯富商正赞助穆勒国际公司正式启动对飞行汽车的研发计划。图1.8法拉利跑车1.3汽车空气动力学的发展风洞实验技术和计算流体力学技术（CFD-Computational Fluid Dynamics）是目前针对对汽车空气动力学最常用的两种研究方法，都可以得到汽车的空气动力学特性。有一些汽车工业相对比较发达的国家在传统的风洞试验研究方面已经取得了巨大的成功，各大汽车公司几乎都有自己的风洞试验室，例如奔驰、宝马、凯迪拉克和通用等汽车公司。国际上有许多汽车企业所设计和制造的名车都是在十分严格的条件下进行风洞试验，且据此利用所得到的试验数据来进行再次设计和改型。而在计算机流体力学（CFD）方面的研究工作最早始于欧美地区，起始的时间可以追溯到上个世纪20年代，其真正开始被重视和比较系统的研究是随着学科与理论的完善和计算机的发展，时间大约在上世纪七十年代。CFD学科真正得到长足的发展是直到近30多年，它的研究的手段是借鉴了航天空气空气动力学的技术和流程，另外因为超级计算机的问世，它的潜能才得以无限的开发。现代的大多数公司是为了在汽车市场上赚取更多的利润，占领更大的市场份额，在这样激烈的竞争中，各大汽车公司都非常重视CFD技术在汽车研究方面的作用，他们不惜花重金投入了巨大的人力，结果证明在瞬态、物力研究探索CFD. Bipin Lokhande等人对汽车在行驶状态的情况进行了瞬态模拟分析,结果证明在瞬态模拟情况下可以较为真实的捕捉到汽车流场中的压力场和速度场等相关信息。误差已经降到了5%以内，这是在精度方面成功的研究结果。对ANSYS、STAR.CD、FLUENT以及CFX等这些商业软件的发展越来越快速方便，应用也十分广泛了，现在对汽车空气动力学解析系统的研究已经有了一定的规模。我国的汽车工业发展一直处于比较落后的水平，自主研发水平比较低，长期内都是引进国外的技术，是处于低开发水平的状态，因此对汽车空气动力学的研究投入非常少。一直以来在航天航空方面的空气动力学的研究是国内的主要发展方向，从而对在汽车的方面关注和研究比较少，起步也较迟，因此在这方面一直比较薄弱。但在意识到这方面的问题后，国内开始重视起了在这方面的研究。在1981年，中国空气动力学研究与发展中心第一次为两辆轿车和一辆面包车的真实车体进行了风洞试验研究。随后，许多大学和研究机构比如有长春汽车研究所、湖南大学、原吉林工业大学、南京航空航天大学、西安公路交通大学和同济大学都通过了对航天风洞，建筑风洞的成功改造，然后开始了在轿车、大客车和火车这种路面交通系统中的汽车空气动力学方面的研究工作。2009年9月19日，上海地面交通工具风洞中心建造正式完工，这是中国花费了4.9亿元打造的国内第一个汽车风洞，正式落成地点是在同济大学的嘉定校区并且在此之后开始投入启用。这在很大程度上弥补了中国在汽车研发设计领域的落后情况。该风洞的主要技术指标在世界都达到了领先的水平，并且拥有全部的自主知识产权。该汽车风洞的成功启用为中国的汽车和轨道车辆工业带来了好的发展前景，未来在新能源汽车方面的自主研发和发展都因此有了重要的进步基础。中国把CFD用于汽车设计的方面虽然起步比较晚，但是进展比较快，而且也取得了不错的成绩。长春汽车研究所在对红旗CA774模型进行改型时应用了最佳化细部的设计方法，这主要是采用了曲面斜度变化和增加扰流板等措施来实现成功改型。该车在最后把阻力系数降低了21.1%，升力系数降低了54%。并且经过进一步把滑底板优化使得汽车在最后有了负升力。中国气动中心与汽车研究院合作研究汽车车身各个部分的速度矢量及压力分布；北京航空航天大学在软件开发和减阻的方面的研究也取得了许多成果。近10年以来，汽车空气动力学的研究得到了极大的重视，在降低启动阻力方面取得了很大的进步。而且，国内也出现了自主研发的应用于汽车的三维流场计算软件。我国未来在这方面仍有良好的前景和发展趋势。1.4本文的基本思路和主要工作内容参考前文国内外的飞行汽车的发展情况，选择一款法拉利汽车作为飞行汽车的参考车型，对该车型进行改型，采用合适的车身流线，由于如果将飞行汽车的机翼设计成伸缩翼就不会占用比普通汽车更多的空间，所以采用伸缩翼的机翼模式，参考以往的各种飞行汽车，采用涵道的设计。由于客观条件的限制，本文仅从理论方向着手，对飞行汽车进行建模和流场数值及模态分析。主要内容如下：第1章，绪论介绍了本文的研究背景，飞行汽车在国内外的研究现状和法拉利飞行汽车的发展情况，另外也简单介绍了下汽车的空气动力学的发展现状。第2章，主要是对法拉利飞行汽车进行三维建模，参考法拉利汽车的外形及尺寸建立三维建模模型，利用 SOLIDWORK这个软件进行车身设计、机翼设计和其他零件的造型，接着完成整个飞行汽车的装配。第3章，主要是对建立好的飞行汽车模型进行流场分析，这里选择分别在机翼展开和收缩这两种情形下进行分析。利用ANSYS 13.0 WORKBENCH建模划分网格后再导入FLUENT求解器选则标准湍流模型进行求解。第4章，在workbench中对该可伸缩机翼（材料为低密度聚乙烯）进行模态分析，分析其6阶模态，得出固有频率和变形情况。第5章，对整篇论文作了回顾和总结。2法拉利飞行汽车的三维设计2.1设计参考法拉利参考车图2.1法拉利汽车参考车型法拉利飞行汽车图2.2法拉利飞行汽车机身外形：参考法拉利汽车翼展b ：9 m巡航速度V ：30 m/s最大飞行速度V max ：60 m/s总重W ：1000 kg有效载荷p W ：300 kg飞行高度：10003000 m最长航时：5h2.2SolidWorks软件概述SOLIDWORKS将机械CAD、设计验证、产品数据管理等先进设计融于一体，是世界上第一款基于Windows系统开发的三维实体模型设计软件，主要有以下功能2：准确创建和修改零件的三维几何特征结构的零件设计功能；能够创建零部件之间的机械运动关联，并可进行碰撞、干涉、对齐检查等，做到这样的装配设计；零件或装配体的二维工程图可以通过它的三维造型可以自动生成，相关联的三维模型的变更和零件或装配体的变化都会同步更新到二维工程图和明细表中，用户使用起来是十分方便的；能够利用有限元方法分析部件的机械力学、流体力学、热力学、非线性动力学等特性，验证产品设计的可靠性和安全性，无需麻烦使用其他软件；该软件中渲染设计可以帮助渲染图形来生成的虚拟样机图片具有真实的质感和环境效果，可以在发布和展示产品产生良好的视觉效果；它还有着其他辅助设计功能，针对不同设计领域的特点开发了高级曲面设计、模具设计、焊件设计、钣金设计、步路设计以及标准硬件库等，以提高产品的设计效率，除此之外，SOLIDWORKS还能够进行扩展设计。2.3车身设计车身的设计和制造是十分复杂的一项工程，会受到许多相关学科科技进步的影响，需要满足一定的技术要求。它有自己所特有的使用的性能要求和环境要求。除了这些外，市场要素对车身的设计也起到非常重要的作用，它需要满足人们对驾驶车辆的向往期待和要求，这是车身作为为正确选型的前提。车身的结构强度、整车设计布置和车身空气动力学的条件需要达到相关标准和满足一定的条件。人体工程学、空气动力知识都需要综合运用来帮助设计出安全、舒适的时代特点的汽车。本文由于客观条件和能力的限制，选择对现有的汽车来改型设计，参考的是一款法拉利跑车，车身根据它来进行本文的飞行汽车的三维设计。主要绘图步骤如下：1、 绘制草图1。生成草图1的绘制平面，并进行草图1的绘制。通过在【特征管理器设计树】中点击其中的选项【上视基准面】，使其成为草图绘制的平面，然后单击【视图定向列表】中的（正视于）按钮，草图绘制平面的法线方向将自动垂直于计算机屏幕。再通过单击【草图】工具栏中的（草图绘制）按钮，进入草图绘制的环境。接着单击（样条曲线）按钮正式开始草图1的绘制，并在样条曲线的节点坐标对点的位置进行约束。如图2.3（a）所示。2、 绘制草图2。选择【右视基准面】作为绘制图形的基准平面完成草图2的绘制，利用（样条曲线）命令进行草图2的绘制。如图2.3（b）所示。 图2.3 (a)草图1 （b）草图23、绘制草图3。选择【右视基准面】作为绘制图形的基准平面为草图3的绘制平面，利用（样条曲线）命令进行绘制。如图2.4所示的草图。图2.4草图34、绘制3D草图1。单击【插入】选择（3D草图），进行绘制一条3D曲线，如图2.5所示。调整它在Y-Z、X-Y、X-Z方向的位置，使这条曲线的两个端点与草图2、草图3上的端点保持重合的关系。 图2.5 3D草图15、绘制3D草图2.单击【插入】选择（3D草图），绘制另一条3D曲线，如图2.6所示。调整它在Y-Z、X-Y、X-Z方向的位置，如图2.6所示。同样使曲线的两端点与草图2、草图3保持重合关系。图2.6 3D草图26、绘制草图4。新建一个【基准面】，选择【前视基准面】作为第一参考，输入2500的距离；再单击【基准面1】的（草图绘制），利用（样条曲线）命令，绘制如图2.7所示的草图，添加几何约束，使草图4与草图1、3D草图1、3D草图2为穿透关系。图2.7 草图47、创建曲面放样特征1。在【曲面】工具栏中单击【放样曲面】，并打开【放样曲面】的【属性管理器】中的【轮廓】选项，在该选项组中选择草图2、草图3、草图4作为放样轮廓；然后在【起始/结束约束】选项组中的【开始约束】的下拉列表框中选择【垂直于轮廓】这一选项，将【起始相切长度】设置为1，并在【结束约束】的下拉列表框中选择【方向向量】，选择【右视基准面】作为方向向量，并把【结束相切长度】也设置为1；同时选择草图1、3D草图1和3D草图2作为引导线，如图2.8所示，从而完成曲面放样特征的创建。图2.8曲面放样特征18、绘制草图5并进行曲面剪裁。选择【右视基准面】作为绘制图形的基准平面，利用（样条曲线）命令绘制如图2.9（a）所示的草图，选择草图5对放样曲面进行剪裁，如图2.9（b）所示。 图2.9 （a）草图5 （b）曲面剪裁9、曲面填充1。新建基准面2，选择【右视基准面】作为第一参考，设置距离为970mm，在基准面2上建立草图6，如图2.10（a）所示。再单击【曲面填充】，选择草图6作为轮廓，完成创建。如图2.10（b）所示。图2.10 （a）草图6 （b）曲面填充10、创建曲面放样特征2。【轮廓选择】（曲面裁剪1），选择边线和填充曲面为外轮廓边线，在【开始约束】中选择(无)，在【结束约束】中选择与曲面剪裁相切，结束处的相切长度设为1.完成车轮盖过渡部分的放样曲面，同样后轮的过渡部分的创建思路与前面的一致，如图2.11所示图2.11曲面放样特征211、创建车顶盖部分（曲面放样3）。选择【右视基准面】来进行草图7的绘制，通过添加约束，使得端点与曲面定点重合；并绘制3D草图3，调整曲线在Y-Z、X-Y、X-Z方向的位置；【插入】3D草图，通过【转换实体】应用绘制3D草图4，得到的放样特征如2.12图所示。（a） （b） （c） （d）图2.12创建车顶盖12、创建顶盖支撑架（曲面放样4）。【插入】3D草图6，如图2.13所示；【插入】3D草图7，利用【转换实体】引用工具完成3D草图7的绘制；同理完成3D草图8的绘制；单击【曲面放样】，创建曲面放样4，选择3D草图6、曲面放样3的边线作为轮廓线，选择3D草图7、8作为引导线，在【开始约束】中设为无，在【结束约束】中设为与面相切，结束处相切长度设置为1，从而完成对曲面放样4的创建，如图2.13所示。 图2.13创建顶盖支撑架13、创建车窗（曲面放样5）。【插入】3D草图9，利用【转换实体】引用与【剪切曲线】，完成3D草图9的创建，如图2.14所示。点击【曲面放样】，选择3D草图9与曲面放样边线作为轮廓线，完成对曲面放样5的创建，如图2.14所示。图2.14车窗的创建14、细节设计涵道风扇处与机翼收放处（如图2.15所示）图2.15涵道风扇处与机翼收放处示意图15、镜像缝合曲面。选择前文所创建的所有曲面特征为镜像特征，以【右视基准面】为基准面，完成镜像操作。选择（缝合曲面）命令，将其缝合为整体。如图2.16所示.图2.16镜像缝合曲面16、车身三视图（如图2.17所示）（a）前视图（b）上视图（c）左视图图2.17车身三视图2.4机翼设计伸缩机翼分为主翼段与外翼段两个部分。主机翼段固定在机身位置不动，而外翼段可收缩到主翼段当中。当外翼段完全展开时，展长会变大，大展弦比翼型由此构成，这样获得了较大的升阻比，飞行器的续航能力便得到了极大地提高，起飞与降落性能也因此得到改善；当外翼段在收缩时，展长会变小，小展弦比翼型也由此构成，飞行阻力被大大减少了，机敏性能得到了极大的提高，飞机的反应速度变得更快，并且停放所需要的空间也缩小了。伸缩机翼技术能极大提高气动效益，但因为变形机构设计的难度会带来一些问题。为容纳外机翼段和布置作动变形机构，主翼段必须采用厚度较大的翼型与内部中空的构型，削弱主翼的承载能力。另外，增加传动变形机构会提高机翼的复杂程度，增加其质量，降低使用可靠性。所以为提升整机性能，需要有效地提高变形机构的可靠性。飞行汽车的气动性在很大程度上会受到来自机翼的影响，从而翼型的选择是非常重要的。本文的飞行汽车属于低速飞行，并且需要借助机翼的翼型为该飞行汽车提供一定的升力并能减缓飞机失速，通过阅读一些前辈研究的结论并查找翼型手册得知，该飞行汽车主翼和伸缩翼的形状采用NACA 4412型号的翼型是非常合适。图2.18 NACA 4412型号翼型机翼三维造型如图2.19所示：(a)主机翼（b）伸缩翼(c)机翼装配图图2.19机翼三维造型图其他主要零件造型（如图2.20所示） （a）轮毂 d）螺旋桨前叶 （e）螺旋桨后叶 （f）涵道体 （g）后涵道基座图2.20其它零件造型图法拉利飞行汽车图（如图2.21所示）图2.21法拉利飞行汽车法拉利飞行汽车爆炸图（如图2.22所示）图2.22法拉利飞行汽车爆炸图3流场数值分析3.1流体力学基础我们知道流体力学的研究对象是流体。流体通常分为液体和气体，液体的分子之间是有凝聚力的，因此有一定的体积，但是没有确定的形状。液体注入任何容器内，都会填满与自身体积相同的空间，不管容器的形状是什么样的。液体有着很小的可压缩性，密度会很少随温度和压强变化。而气体由大量运动着的分子组成的气体，它的分子之间会发生相互碰撞，导致它会不断的扩散。但是气体没有确定的体积，但会充满它所注入的任何一个容器。一定量的气体或者气体系统，压强、温度和体积之间存在一定的关系，由气体的状态方程表示9。流体力学中用的数学模型是连续介质。连续介质是假设流体分子之间的距离（更确切地说，也就是是流体分子运动的平均自由程）相对于流体力学问题中的任何宏观物理尺度非常小，这样的流体微团，在宏观上足够小，微观上足够大（包含足够多的流体分子）,因此所有（微积分中的）数学极限的过程都是充满意义的。FLUENT只能解决基于连续介质假设的流体力学问题。对于不满足连续介质假设的流体力学问题（例如稀薄气动力学问题），我们需要采用其他的研究方法，比如分子运动论，直接模拟蒙特卡洛法等。流体力学中，速度分量有三个，热力学参量有两个，这是五个基本变量。只要知道其中任何两个热力学参量，都可以帮助确定流体的热力学状态，从而也可以确定出其他所有的热力学参量。这些变量随时间和空间有相应的变化规律，一旦确定了三个速度分量和任意两个热力学参量就可以完全确定出该流体的流场8。3.2流体流动的控制方程自然界中，基本的守恒定律有质量守恒定律、能量守恒定律和动量守恒定律。这些物理守恒定律会来支配流体的流动，假设流体的流动包含有不同组分的混合或相互作用，那么整个系统还是会要遵从组分守恒定律。而且不仅如此，系统在流动处于湍流状态的情况下，也仍然需要遵守附加的湍流输运方程。这些守恒定律的数学描述便是控制方程9。质量守恒方程质量守恒定律是指在任何与周围隔绝的体系中，总质量是始终保持不变的，而且无论是发生什么样的变化，就算是由化学反应和核反应所带来的变化都不能使物质完全消失不见，任何变化过程都只是将物质的原有结构和形态改变了。在流体体系中，任何流动问题都必须满足质量守恒这一定律。并且在流体问题中，单位时间内，流体的微元质量的增加量就是在同一时间间隔内流入该微元的净质量。遵照这一定律，便可以得出质量守恒方程也就是连续性方程为：这是连续性方程的一般形式，它的适用范围可以为可压流动也可以是不可压流动。式（1）中，是密度，是时间，是速度矢量，源项是加入的连续相质量，比如液滴的蒸发或异相反应等都可以表示源项，源项的形式可以是其他自定义的源项。动量守恒方程动量守恒定律也是任何流动系统都必须满足的基本定律，它的本质为牛顿第二定律。该定律的表述是这样的：在微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。按照这个定律，可以得出在惯性（非加速）坐标系中的动量守恒方程为：该式对任何类型的流体（包括非牛顿流体）都是成立的，式（2）中是流体微元体上的压力（为静压）；和分别代表作用在微元体上的重力体积力和其他外部体积力（如外加电场力、磁力等），还包含了其他的模型相关源项，例如有多孔介质、相间相互作用力或者是其他自定义的源项；是因分子的粘性功能而产生的作用在微元体表面上的粘性应力张量。对牛顿流体来说，粘性应力与流体的变形率是成比例的，有：但是，对于其他非牛顿体，粘性应力与流体的变形率有着非线性的关系，具体的本构关系需要参考和查阅其他相关资料。能量守恒方程能量守恒定律是指一个封闭系统内的总能量保持不变，而在流动系统中有着热交换尤其要满足这一条基本定律，它的本质实际上也就是热力学第一定律，能量只会在物质存在的形式之间进行转化，或者是在物体之间进行转移，它不会莫名其妙的产生和消失，总之，能量的总量是始终保持不变的。该定律可以表述为这样：在一个系统中，只有对该系统传入或者传出能量才会引起系统能量总量的改变。机械能、热能及除热能以外的任何内能形式的总和都是一个系统的总能量。而在微元体中，净热流通量加上体积力与表面力对该微元体所做的功就是等于能量的增加率。根据此可得到FLUENT中所求解的能量方程的形式，如下： 在式（4）中，代表的是该微小流体团的总能两，是内能与动能之和，对于理想完全气体而言，可感焓，对于不可压缩气体来说，式中是组分的质量分数，组分的焓定义为,其中,气体的定压比热在量热完全气体时是常数，如果为完全气体时则可以选择拟合多项式（FLUENT中有大部分拟合多项式来描述气体的定压比热随温度变化的）；是来表示有效导热系数的（它是根据湍流模型的定义得到的湍流与层流导热系数的和）；是组分的扩散通量。系统中的导热、组分扩散和粘性耗散所引起的能量传递分别是该方程右边的前三项来表示的。代表的是因为化学反应引起的放热和吸热变化，或者它可以代表其他自定义的热源项。3.3ANSYS CFD 13.0软件概述ANSYS 13.0在仿真方面十分具备优势，仿真结果有着很高的可信度，能够帮助客户更加快速、便捷地开发新产品，而且成本低廉，其主要特点有8准确度和保真度相对较高：如今对工程的要求日益增加，设计也越来越复杂，对仿真软件有着很高的要求，该仿真软件必须提供更精确的结果，能够真实反应运行条件在不同时间内的变化。生产力相对较高：ANSYS13.0版本功能特性也是十分强大，有几十种，而且最大限度的减少产品开发团队在仿真过程中所需投入的时间和精力。计算能力非常强大：在工程仿真问题上ANSYS13.0能够更加快速地解决这方面的问题，无论遇到多复杂的多物理场仿真，也能够完成得更加迅速和有效，产品开发和市场投放方面都是比较快速的。ANSYS13.0继续发展智能工程仿真技术，引领产品开发迈向新的阶段。通过压缩设计周期，优化产品多物理场性能，最大限度提高了仿真模型精度和自动化仿真过程的效率。ANSYS CFD令创新性产品的问市更加快速和便捷。ANSYS13.0增加了新的改进湍流模型，能够更精确地捕捉物理现象。嵌入式大涡模拟功能允许在部分流体区域使用大涡模拟，而其他部分使用雷诺平均的湍流模型。因为大涡模拟消耗资源大，而基于雷诺平均的湍流模型计算快速。这两种技术的融合，可以只在关心的局部区域使用大涡模拟，在保证计算速度的前提下提高计算精度。在ANSYS FLUENT 增加了适用于多相流的k-omega模型。这项功能扩展了两方程的湍流模型的应用范围。ANSYS FLUENT增加了一种非稳态的雷诺平均方法，即自适应尺度湍流模型（SAS），它能够快速的同时精确地模拟分离流动现象。ANSYS CFX中一个关键的附加湍流模型是有边界的中心差分离散格式（BCD）,可以避免非物理的振荡。这种振荡在诸如LES/DES/SAS等尺度解析时有时会出现。3.3.1FLUENT软件概述FLUENT起先由FLUENT Inc.公司发行，但是在2006年2月已经被ANSYS Inc.公司收购了，世界领先地位的商业CFD（Computational Fluid Dynamics计算流体动力学）软件包，它占其中之一。FLUENT主要用于模拟和分析复杂几何区域内的流体流动与传热现象。因为它有着灵活的网格特性，所以可以支持多种网格。用户根据需要自身需要来自由选择和使用结构化或者是非结构化网格来划分复杂的几何区域，FLUENT中网格自适应性会在求解过程中由所获得的计算结果来进行优化网格得到最合适的网格。FLUENT由C语言开发出来，能够支持并行运算，能够支持UNIX和Windows等多种平台，它有用户/服务器的结构，能够在安装不同操作系统的工作站和服务器之间协同完成同一个任务。FLUENT的交互过程是由用户通过菜单界面来实现的，他们能够采用多窗口的方式，计算的进程和计算结果都能够随时观察得到。计算结果的显示可以根据要求进行设置，并且能够采用云图、等值线图、矢量图、剖面图、XY散点图、动画等多种方式来进行显示、存贮和打印，以其他的CFD软件、FEM(Finite Element Method)软件或者是后处理软件进行保存的格式也都能支持该计算结果的显示。FLUENT为用户提供了编程接口，以FLUENT的基础，用户运行时可以进行定制、控制相关的输入和输出，并且可以进行二次开发9。3.3.2FLUENT的求解技巧FLUENT的数值算法因为FLUENT软件采用的是有限体积法，主要提供了非耦合隐式算法、耦合显示算法，耦合隐式算法这三种数值算法，适用的情况分别是不可压、亚音速、跨音速、超音速乃至高超音速流动等。（1）非耦合隐式算法非耦合隐式算法（Segregated Solver）可以用于不可压缩流动和中等的可压缩流动，它是由经典的SIMPLE算法发展而来的。这种算法是对动量方程进行了压力修正，而不是通过对N-S方程组联立来求解的，现在已经有多个领域都验证了它的发展成熟并有着经验验证。分离算法是非耦合隐式算法的另一别称，它能配合多种燃烧、化学反应及辐射和多相流模型，而且都是可以用低速流动的CFD来进行模拟的。（2）耦合显式算法耦合显式算法（Coupled Explicit Solver）主要是用来对可压缩流动进行求解的，它是FLUENT软件设计人员与NASA联合开发出来的。耦合显式算法是对整个N-S方程组进行联立求解的，空间离散采用的是通量差分分裂格式，而时间离散则采用多步Runge-Kutta格式，与此同时，多重网格加速收敛技术也被应用其中，这是和SIMPLE算法的不同之处。针对稳态计算，它还用了当地时间步长和隐式残差光顺技术。该算法有着稳定性好，内存占用少等优点，所以应用广泛。（3）耦合隐式算法耦合隐式算法（Coupled Implicit Solve