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