1. 背景

近年來，隨著車輛傳統(tǒng)空氣動力學(xué)優(yōu)化技術(shù)的日益成熟，一些新興流動控制技術(shù)日益成為學(xué)術(shù)界及工程應(yīng)用領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，包括合成射流控制、等離子體激勵(lì)主動控制、微電機(jī)系統(tǒng)流動控制以及智能材料自適應(yīng)流動控制技術(shù)等。其中，智能材料作為新發(fā)展起來的一種新型功能材料，目前已在航空航天、生物醫(yī)學(xué)等研究領(lǐng)域取得一定應(yīng)用[2]，然而其在車輛空氣動力學(xué)優(yōu)化方面的應(yīng)用目前鮮有研究，本文將對智能材料在車輛空氣動力學(xué)優(yōu)化方面的應(yīng)用做初步思考，為將來智能材料在該領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供一些思路。

2. 智能材料簡介

智能材料是由多種材料組元通過有機(jī)緊密復(fù)合或嚴(yán)格的科學(xué)組裝而構(gòu)成的材料系統(tǒng)。由基體材料、敏感材料、驅(qū)動材料和信息處理器四部分組成。智能材料是多學(xué)科高度融合發(fā)展交叉的產(chǎn)物，涉及學(xué)科包括材料科學(xué)、人工智能、信息、機(jī)械、生化等。智能材料所具備的基本要素為：感知、反饋和響應(yīng)。即類似生命系統(tǒng)，能感知外界環(huán)境或內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生的變化，通過材料自身或外界某種反饋機(jī)制，進(jìn)而適時(shí)將材料某種或多種性質(zhì)改變，做出期望的某種響應(yīng)。代表性材料有形狀記憶合金材料、磁致伸縮材料、光敏材料、壓電材料等。以記憶形狀合金為例，2017 年 11 月，美國國家航空航天局（NASA）成功研制出一種使用記憶合金制成的免充氣輪胎，該輪胎所使用的記憶合金可實(shí)現(xiàn)在變形30% 的情況下卻不發(fā)生永久變形或者損壞；此外，其還能夠在延伸 10% 之后恢復(fù)原本的形態(tài)，而普通金屬材質(zhì)只能延展0.3%~0.5%。由于記憶合金所具有的獨(dú)特優(yōu)勢，使該輪胎不易泄氣或爆胎，具有較高的安全性[2]。

3. 智能材料與車輛空氣動力學(xué)優(yōu)化

3.1.汽車主動尾翼

汽車尾翼，也稱為擾流板，其作用是可以有效減少汽車在高速行駛時(shí)的空氣阻力，以節(jié)省燃油消耗，此外，通過一定的優(yōu)化設(shè)計(jì)也可以減小汽車升力，提高汽車對地面的附著力，使汽車具有良好的操穩(wěn)性。目前，汽車尾翼主要為固定式結(jié)構(gòu)，然而，汽車行駛過程中環(huán)境氣流變化復(fù)雜，不同車速下所需要的車尾壓力是不同的。因此，如何對環(huán)境變化進(jìn)行靈敏感知并根據(jù)這些變化做出相應(yīng)調(diào)整是目前一大研究熱點(diǎn)。近些年在一些高級跑車如邁凱倫P1、保時(shí)捷panamera、911Turbo、柯尼塞格Regera等均安裝了主動尾翼，然而其控制系統(tǒng)原理多為根據(jù)車速或加速度設(shè)計(jì)出某些狀態(tài)下尾翼的最佳角度及高度，并以某種信號輸出至控制器，控制器接收后通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)對尾翼進(jìn)行調(diào)節(jié)，而車輛在實(shí)際道路行駛時(shí)，周圍氣流環(huán)境是實(shí)時(shí)變化且較為復(fù)雜的，如何能在車身周邊遍布多種類似鳥類感覺神經(jīng)的傳感器，以實(shí)時(shí)感知外界氣壓條件變化，將汽車尾翼通過一定執(zhí)行機(jī)構(gòu)使其表面連續(xù)光滑的實(shí)時(shí)改變?yōu)樽钸m合形狀，使車輛氣動性能達(dá)到最優(yōu)是困擾學(xué)術(shù)界及工程領(lǐng)域的一大難題。智能材料的發(fā)展為該思路的實(shí)現(xiàn)提供了可能，如在航空航天領(lǐng)域，美國NASA曾與波音、空軍、美國國防部預(yù)研局等聯(lián)合開展的多項(xiàng)研究展示了柔性復(fù)合材料、形狀記憶合金等在自適應(yīng)機(jī)翼和智能機(jī)翼上的應(yīng)用潛能[3-6]。因此，將記憶合金等智能材料應(yīng)用于汽車主動尾翼開發(fā)，通過智能材料的感知元件對環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行感知并反饋，在控制器分析決策后對尾翼形態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)改變，進(jìn)而可獲得最優(yōu)氣動性能。

3.2.汽車主動阻風(fēng)板

目前，在能源效益被日益推上新高的今天，通過盡可能降低車輛風(fēng)阻系數(shù)的措施以進(jìn)一步節(jié)約能耗已成為各大車企關(guān)注的重點(diǎn)，通過在汽車車輪前方增加阻風(fēng)板以降低風(fēng)阻系數(shù)已經(jīng)被眾多車企所采用。但是，汽車阻風(fēng)板本身也是會帶來阻力的，因此，在不同的行駛工況下，阻風(fēng)板本身的高度和寬度是需要進(jìn)行調(diào)節(jié)的，然而，傳統(tǒng)的阻風(fēng)板多為固定式，其尺寸不能進(jìn)行調(diào)節(jié)，只能保證在某一狀態(tài)下，車輛處于較好的狀態(tài)。因此，開發(fā)可根據(jù)不同行駛工況進(jìn)行實(shí)時(shí)尺寸調(diào)節(jié)的阻風(fēng)板是未來研究趨勢，目前可調(diào)節(jié)阻風(fēng)板在實(shí)車上應(yīng)用較少，保時(shí)捷911 Turbo S在前保下方安裝了可變前擾流板，該結(jié)構(gòu)降阻效果與前阻風(fēng)板類似，可根據(jù)不同的行駛工況進(jìn)行打開和收回，傳統(tǒng)的汽車阻風(fēng)板設(shè)計(jì)，需要滿足造型、輕量化、強(qiáng)度剛度等不同專業(yè)的要求，然而各性能專業(yè)之間往往會存在一些沖突，在不久的將來，通過將合適的柔性智能材料應(yīng)用于阻風(fēng)板的設(shè)計(jì)，可有效平衡各專業(yè)性能，保證其綜合性能狀態(tài)處于最佳。

3.3.汽車主動格柵

現(xiàn)在汽車行業(yè)正處于傳統(tǒng)能源與新能源的交替時(shí)期，要求傳統(tǒng)能源汽車更加節(jié)油環(huán)保，也要求電動汽車?yán)m(xù)駛里程更高。主動進(jìn)氣格柵可以根據(jù)汽車的實(shí)時(shí)工況對格柵扇葉角度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整,既可縮短熱車時(shí)間,同時(shí)還有效地降低了風(fēng)阻,降低油耗及排放。目前，主動格柵的調(diào)節(jié)原理主要為通過獲取機(jī)艙內(nèi)發(fā)動機(jī)水溫、機(jī)油溫度、空調(diào)系統(tǒng)狀態(tài)、進(jìn)氣溫度等進(jìn)行溫度感知后反饋至控制器，進(jìn)而對主動格柵葉片進(jìn)行一定開啟或閉合。為進(jìn)一步簡化主動格柵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可考慮將熱敏材料、磁致伸縮材料等應(yīng)用于主動格柵的設(shè)計(jì)，通過智能材料的感知元件對機(jī)艙內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)感知、通過自調(diào)節(jié)響應(yīng)驅(qū)動材料對格柵葉片進(jìn)行調(diào)節(jié)，可有效提升車輛的綜合性能。

4. 小結(jié)

智能材料的研究與應(yīng)用是一門涉及多學(xué)科綜合交叉的前沿技術(shù)領(lǐng)域，其在車輛空氣動力學(xué)優(yōu)化方面有著巨大的優(yōu)勢和潛力，通過智能材料的誘導(dǎo)應(yīng)變來驅(qū)動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生所需要的形變，其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但應(yīng)用中如需產(chǎn)生較大形變還需投入大量成本或與常規(guī)機(jī)構(gòu)配合使用，這樣一來又會降低其優(yōu)勢特性[6]。相信隨著智能材料技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，嵌入智能材料將會是未來汽車主動空氣動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一大趨勢。

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