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。
【資料圖】
豐田汽車公司負責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
車輛空氣動力學的傳統(tǒng)測試方法，包括在汽車靜止時向其施加風力，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)于飛機空氣動力學的理論。
飛機空氣動力學結(jié)果有利于汽車設(shè)計
在飛機領(lǐng)域，空氣動力學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。
飛機速度非常快（螺旋槳飛機以每小時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?shù)耐牧髂Ｐ烷_展飛機應用分析。
該團隊仿真了不同運動導致的不同的空氣動力，他們采用高性能計算機進行復雜的計算、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。“我通過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。”
在汽車應用方面，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)探索陸空應用，不斷利用他們學到的知識打造新產(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。”
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