丰田模拟从陆地到空中再回来

By Ansys Advantage Staff

工程师之间的合作往往会带来创新，但丰田汽车公司(Toyota Motor Corp.)的工程师们却通过与一支空中赛车队合作，扩展了他们在汽车空气动力学方面的知识。这次不同寻常的合作利用模拟技术来改善飞机和汽车的空气动力学。

丰田汽车公司负责CAE技术研发的Yusuke Nakae，一直在与Ansys渠道合作伙伴JSOL公司合作，使用Ansys进行流体分析Ansys LS-DYNA测量车辆在行驶过程中产生的空气动力及其对车辆稳定性的影响。通过使用汽车模拟结果来改进空中赛车飞机，然后从这些结果中学习来改进雷克萨斯汽车，Nakae的团队发现了使用传统方法无法实现的分析。

从传统空气动力学到实验空气动力学

测试车辆空气动力学的传统方法是在静止时对汽车施加风，然后通过实验和计算来测量变化。想知道当汽车移动和静止时，空中力量会有什么不同，Nakae的团队试图分析一辆移动的汽车。具体来说，他们想用LS-DYNA模拟汽车变道时的空气动力学。

从正常分析(当汽车停止时施加风)得到的结果与汽车行驶时的结果明显不同。然而，在驾驶汽车时测量空气的力量仍然是一个挑战——即使是在风洞中。Nakae的团队想用模拟来定量分析空气动力的差异。由于丰田将LS-DYNA作为碰撞安全性能分析的标准工具，该团队认为，如果他们能在LS-DYNA中添加流体分析功能，就能创造一个用单一求解器分析多种物理特性的理想环境。

雷克萨斯赞助了参加红牛空中赛车世界锦标赛的Yoshihide Muroya。2017年，Nakae的团队在比赛前首次测试了他们的飞机空气动力学理论。

飞机气动结果有利于汽车设计

在飞机领域，空气动力学分析通常是在静止状态下进行的，因此让空中赛车团队同意将汽车模拟中的知识和专业知识应用于飞机比赛设计是一项挑战。

问题的部分原因是空气速度的不同。

飞机速度很快——螺旋桨飞机的时速为350公里——而汽车速度很慢，时速为100公里。此外，飞机是流线型的，而汽车不是，所以它们身体周围的流动完全不同。这意味着研究人员无法准确计算空气动力，除非他们能够重现气流，尤其是在湍流条件下。

幸运的是，大量关于飞机机翼的实验数据已经存在，因此Nakae的团队可以为飞机分析选择合适的湍流模型。

研究小组利用不同的运动产生不同的空气动力，进行了模拟。使用高性能计算来完成复杂的计算，编译数据，将其可视化，并与空中赛车团队共享。

在空中比赛期间，团队将测试技术，分析他们记录的数据，然后迭代地测试更新的技术。一位竞争对手甚至注意到murroya在一个更大的圆圈内飞行，但他们的总时间却减少了。

空中比赛的结果激发了新的雷克萨斯汽车

丰田/雷克萨斯从这次经历中学到了很多。

“我学会了如何控制涡流，从气动阻力的角度来看，涡流不应该产生，”Nakae说。“我通过试验不同形状的小翼，并通过模拟分析找到空气阻力最小的小翼，获得了如何控制涡流的经验。”

以汽车为例，研究小组知道，在汽车周围制造有效的涡流可以改善汽车的动态性能。事实证明，这款车的性能和他们假设的一样好，因此雷克萨斯LC 500灵感系列在1月份发布。这款限量版将471马力的V8豪华跑车提升到了一个新的水平。受空中赛车启发的一个重大升级是碳纤维增强塑料后扰流板，该扰流板仿照倒置的飞机机翼，翼尖处有涡流，以提高机动性和效率。

展望未来

虽然红牛空中赛车世界锦标赛于2019年停赛，但Nakae的团队将继续致力于空气动力学模拟研究。

展望未来的汽车设计，丰田/雷克萨斯将继续通过比较两种不同的运输方式并分析它们来创造新产品。

正如Nakae所说，“分析技术使我们能够实现颠覆传统智慧的方法和性能。”