浅谈智能材料为车辆空气动力学优化提供的新机遇

1. 背景

近年来，随着车辆传统空气动力学优化技术的日益成熟，一些新兴流动控制技术日益成为学术界及工程应用领域研究的热点，包括合成射流控制、等离子体激励主动控制、微电机系统流动控制以及智能材料自适应流动控制技术等。其中，智能材料作为新发展起来的一种新型功能材料，目前已在航空航天、生物医学等研究领域取得一定应用[2]，然而其在车辆空气动力学优化方面的应用目前鲜有研究，本文将对智能材料在车辆空气动力学优化方面的应用做初步思考，为将来智能材料在该领域的广泛应用提供一些思路。

2. 智能材料简介

智能材料是由多种材料组元通过有机紧密复合或严格的科学组装而构成的材料系统。由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分组成。智能材料是多学科高度融合发展交叉的产物，涉及学科包括材料科学、人工智能、信息、机械、生化等。智能材料所具备的基本要素为：感知、反馈和响应。即类似生命系统，能感知外界环境或内部状态发生的变化，通过材料自身或外界某种反馈机制，进而适时将材料某种或多种性质改变，做出期望的某种响应。代表性材料有形状记忆合金材料、磁致伸缩材料、光敏材料、压电材料等。以记忆形状合金为例，2017 年 11 月，美国国家航空航天局（NASA）成功研制出一种使用记忆合金制成的免充气轮胎，该轮胎所使用的记忆合金可实现在变形30% 的情况下却不发生永久变形或者损坏；此外，其还能够在延伸 10% 之后恢复原本的形态，而普通金属材质只能延展0.3%~0.5%。由于记忆合金所具有的独特优势，使该轮胎不易泄气或爆胎，具有较高的安全性[2]。

3. 智能材料与车辆空气动力学优化

3.1.汽车主动尾翼

汽车尾翼，也称为扰流板，其作用是可以有效减少汽车在高速行驶时的空气阻力，以节省燃油消耗，此外，通过一定的优化设计也可以减小汽车升力，提高汽车对地面的附着力，使汽车具有良好的操稳性。目前，汽车尾翼主要为固定式结构，然而，汽车行驶过程中环境气流变化复杂，不同车速下所需要的车尾压力是不同的。因此，如何对环境变化进行灵敏感知并根据这些变化做出相应调整是目前一大研究热点。近些年在一些高级跑车如迈凯伦P1、保时捷panamera、911Turbo、柯尼塞格Regera等均安装了主动尾翼，然而其控制系统原理多为根据车速或加速度设计出某些状态下尾翼的最佳角度及高度，并以某种信号输出至控制器，控制器接收后通过执行机构对尾翼进行调节，而车辆在实际道路行驶时，周围气流环境是实时变化且较为复杂的，如何能在车身周边遍布多种类似鸟类感觉神经的传感器，以实时感知外界气压条件变化，将汽车尾翼通过一定执行机构使其表面连续光滑的实时改变为最适合形状，使车辆气动性能达到最优是困扰学术界及工程领域的一大难题。智能材料的发展为该思路的实现提供了可能，如在航空航天领域，美国NASA曾与波音、空军、美国国防部预研局等联合开展的多项研究展示了柔性复合材料、形状记忆合金等在自适应机翼和智能机翼上的应用潜能[3-6]。因此，将记忆合金等智能材料应用于汽车主动尾翼开发，通过智能材料的感知元件对环境状态进行感知并反馈，在控制器分析决策后对尾翼形态进行实时改变，进而可获得最优气动性能。

3.2.汽车主动阻风板

目前，在能源效益被日益推上新高的今天，通过尽可能降低车辆风阻系数的措施以进一步节约能耗已成为各大车企关注的重点，通过在汽车车轮前方增加阻风板以降低风阻系数已经被众多车企所采用。但是，汽车阻风板本身也是会带来阻力的，因此，在不同的行驶工况下，阻风板本身的高度和宽度是需要进行调节的，然而，传统的阻风板多为固定式，其尺寸不能进行调节，只能保证在某一状态下，车辆处于较好的状态。因此，开发可根据不同行驶工况进行实时尺寸调节的阻风板是未来研究趋势，目前可调节阻风板在实车上应用较少，保时捷911 Turbo S在前保下方安装了可变前扰流板，该结构降阻效果与前阻风板类似，可根据不同的行驶工况进行打开和收回，传统的汽车阻风板设计，需要满足造型、轻量化、强度刚度等不同专业的要求，然而各性能专业之间往往会存在一些冲突，在不久的将来，通过将合适的柔性智能材料应用于阻风板的设计，可有效平衡各专业性能，保证其综合性能状态处于最佳。

3.3.汽车主动格栅

现在汽车行业正处于传统能源与新能源的交替时期，要求传统能源汽车更加节油环保，也要求电动汽车续驶里程更高。主动进气格栅可以根据汽车的实时工况对格栅扇叶角度进行实时调整,既可缩短热车时间,同时还有效地降低了风阻,降低油耗及排放。目前，主动格栅的调节原理主要为通过获取机舱内发动机水温、机油温度、空调系统状态、进气温度等进行温度感知后反馈至控制器，进而对主动格栅叶片进行一定开启或闭合。为进一步简化主动格栅执行机构，可考虑将热敏材料、磁致伸缩材料等应用于主动格栅的设计，通过智能材料的感知元件对机舱内温度进行实时感知、通过自调节响应驱动材料对格栅叶片进行调节，可有效提升车辆的综合性能。

4. 小结

智能材料的研究与应用是一门涉及多学科综合交叉的前沿技术领域，其在车辆空气动力学优化方面有着巨大的优势和潜力，通过智能材料的诱导应变来驱动结构产生所需要的形变，其优点在于结构简单，易于实现，但应用中如需产生较大形变还需投入大量成本或与常规机构配合使用，这样一来又会降低其优势特性[6]。相信随着智能材料技术的不断发展成熟，嵌入智能材料将会是未来汽车主动空气动力学优化设计的一大趋势。

参考文献

[1]张颖.未来航空器:变形飞机[J].国外科技动态,2006,(1):43-48.
[2]白子龙.智能材料研究进展及应用综述[J].军民两用技术与产品, 2020,(437):15-20.
[3]J.Kudva,p.Jardine,C.Martin,etal, Overview of theARPA/WL ”Smart struetures and materia1s development-smart wing”Contract[C].SPIE-2721,1996:10-16.
[4]J.N.Kudv,B.Sanders,J.Pillkerton-Floranee,et al.Overview of the DARPA /AFRL/NASA smart wing phase2 Program[C]. Proeeedings ofSmart Struetures and Materials 2001: Industrial and Commereial Applications ofSmart Struetures Technologies,SPIE-4332,2001:383一389.
[5]李玉璞,孙铿,张宏.自适应机翼控制技术新进展[J].国际航空杂志,2001(9):56-57.
[6]杨智春,解江.自适应机翼技术的分类和实现途径[J].飞行力学,2008,26(5).1-4.