仿生学论文

仿生学论文

2008年8月Angewandte Chemie杂志报道了澳大利亚莫纳什大学的利昂·斯皮西亚、罗宾·布里姆布来可比和安妮特·可罗，澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）的格哈德·斯伟格斯和美国普林斯顿大学的查尔斯·迪斯莫克斯共同开发了由一层涂层和维持植物光合作用的基本化学物质——锰组成的系统。该系统可模拟植物的光合作用，为利用阳光将水分解成氢和氧开辟了一条新途径。此项技术突破有望革新制氢工艺，从而利用太阳光大规模生产清洁的绿色能源——氢气。

光合作用是植物、藻类和某些细菌利用叶绿素，在可见光的照射下，将二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气的生化过程。对于生物界的几乎所有生物来说，这个过程是赖以生存的关键，而在面临能源和环境瓶颈的今天，这一过程中的能量转换也为人类提供了极其重要的启示。由于自然光谱的吸收率等原因，光合作用在多数植物中效率非常低，通常均低于0.5%。在人工设计的系统中，研发人员借鉴其光反应与电子传递的机制，并提高通量转化的效率，使其适于太阳能的转化利用。

事实上，在上述模拟光合作用的研究取得突破前，微生物制氢的已经成为了研究热点。自然界已发现有类似甲烷菌的制氢菌，但其菌种繁育不如甲烷菌那样简单。若能建立合适的菌种群落，制造氢气也会像制造沼气一样得到大规模应用。

模拟光合作用制氢或者微生物制氢过程正是仿生学“向自然学习”的思想典型。20世纪40年代以来，工程技术领域中出现了调节理论，人们开始在一般意义上把生物与机器进行类比，认识到二者包含自动调节系统。此后，科学研究和生产实践完全证实了生物和机器在许多问题上的共同之处。而控制论则把生物科学和工程技术从理论上联系起来，成为在原理上沟通生物系统与技术系统的桥梁，奠定了生物与机器在控制与通信方面进行类比的科学理论基础。之后，斯蒂尔提出了仿生学的研究理念。自上个世纪末以来，人们认识到大约35亿年的生命演化与协同进化过程优化了生物体宏观与微观结构，形态与功能具有无可比拟的优越性，仿生学也因此显示出巨大的生命力。

从研究模式上看，仿生学作为模仿生物建造技术装置的科学，是一门新兴的边缘科学，研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和设备，创造新技术。模拟光合作用制氢过程的例子很好地诠释了这一点。在植物的光合作用中，锰参与几种酶系统。由于锰可以在正二价和正四价两种化合价之间转换，所以主要在氧化还原和电子转移中发挥作用。这一思想为斯皮西亚等人的研究提供了启发。他们在确定锰簇是植物利用水、二氧化碳和阳光制造碳水化合物和氧气的中心枢纽后，开发出这种人造锰簇，并利用这些分子的能力将水分解成氢和氧。研究者将一层质子导体――Nafion薄膜覆盖在一个电极上，形成一层仅几微米厚的聚合体膜，这层聚合体膜充当锰簇的载体。锰在正常情况下不溶解于水，但可以和Nafion薄膜小孔中的催化剂结合，形成不易分解的稳定结构，当水到达此催化剂时，在阳光的照射下便发生氧化反应。

在能源和环境领域，这一技术显示了仿生技术的巨大应用潜力和价值。初步测试表明，此催化剂连续使用3天之后还有活性，由此分解出来的氢气和氧气可以在燃料电池中结合成水，产生电力供住宅和电动车全天24小时使用，且不排放碳而是排放水。虽然此系统的效率还有待提高，但研究者可以不断地从自然界中学习，使之更为高效，从而使氢这一能效高且没有碳排放的绿色清洁能源为未来社会所用。

生物体的电子传递过程在能源仿生技术上的另一重点研究领域是生物发光。生物发光和光合作用都是“电子传递”现象，而从某个角度上看，生物发光可以看作是光合作用的逆反应。光合作用是绿色植物吸取环境中的二氧化碳和水分，在叶绿体中，利用太阳光能合成碳水化合物，同时放出氧气。光能从水分子上释放电子，并把电子加到二氧化碳上，产生碳水化合物，这是一个还原过程。光合作用把光能转变成化学能，而生物发光是电子从荧光素分子上脱下来和氧化合，形成水，产生光。生物发光是将化学能转变成光能。生物光作为冷光源，具有效能高、效率大、不发热、不产生其它辐射、不会燃烧、不产生磁场等特点，对于手术室、实验室、易燃物品库房、矿井以及水下作业等，都是一种安全可靠的理想照明光源。通过模仿发光生物把一种形式的能量转换成另一种形式的能量，制造冷光板使其不需要复杂的电路和电力，就能白天吸收太阳光，晚上再将光能释放。人们先是从发光生物中分离出纯荧光素，后来又分离出荧光酶。现在已能人工合成荧光素，这就使人类模仿生物发光，创造一种新的高效光源——冷光源成为可能。然而，人们对于萤火虫等发光机制的研究仍然有待深入。如果将光合作用和生物发光机制在仿生学框架下同时加以研究，就有可能在能量利用的电子传递现象中取得进展，从而实现能源利用更为巨大的进步。

从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，研究成果已经非常可观。仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力，在能源技术上的应用潜力也极其巨大，有助于破解人们所面临的能源瓶颈问题，同时解决石化能源等所带来的环境问题。

仿照下面的资料,写一篇关于动物的科学小论文!

一、蜻蜓-----直升飞机.

蜻蜓通过翅膀振动可产生不同于周围大气的局部不稳定气流，并利用气流产生的涡流来使自己上升。蜻蜓能在很小的推力下翱翔，不但可向前飞行，还能向后和左右两侧飞行，其向前飞行速度可达72公里/小时。科学家据此结构基础研制成功了直升飞机。

飞机在高速飞行时，常会引起剧烈振动，甚至有时会折断机翼而引起飞机失事。蜻蜓依靠加重的翅膀在高速飞行时安然无恙，于是人们效仿蜻蜓在飞机的两翼加上了平衡重锤，解决了因高速飞行而引起振动这个令人棘手的问题。

二、企鹅——“企鹅牌极地越野汽车

在企鹅的启示下，人们设计了一种新型汽车——“企鹅牌极地越野汽车”。这种汽车用宽阔的底部贴在雪面上，用轮勺推动前进，这样不仅解决了极地运输问题，而且也可以在泥泞地带行驶。此外，鸟类所特有的生理结构和功能，还为机械系统、仪器设备、建筑结构和工艺流程的创新，提供了许多仿生学上的课题。所以，鸟既是人类的朋友，又是人类的老师。为了科学的未来和人类的幸福，我们也应当好好保护鸟类。

三、鸟——飞机。

鸟儿在飞时，它的翅膀会不停地扇（我是说大部分的鸟），在半空中飞，空中气流不怎么强，扇动的时候就好比加动力，有时空中的气流，就可以减少力量。那飞机又跟这个有什么关系？鸟儿的翅膀扇动时，对空气作用力，反过来，空气也对翅膀反作用力，从而推动鸟儿飞行，鸟儿飞行时，它所张开的翅膀能够象风筝一样与空气有一个流动而产生的“浮力”，使鸟儿像鹰，即使翅膀也能飞行，飞机也一样，机翼下面的引擎产生推力，推力推动飞机前进，飞机前进的动力使机翼对空气有流动力，就象鹰一样，飞机就能飞了。

风扇在转时，风向前推，你就能感觉有风了，原因是风扇叶对空气作用力，直升机就是这样的原理发明的，小鸟也就是像风扇那样飞。现在的飞机也是这个样子，风扇的页面是不是有点倾斜，飞机的机翼也是这样子的吧，鹰的翅膀也是这样子的，所以飞机的发明全因为科学家和鹰（鸟类）。

四、蝴蝶——迷彩服

五彩的蝴蝶颜色粲然，如重月纹凤蝶、褐脉金斑蝶等，尤其是萤光翼凤蝶，其后翊在阳光下时而金黄，时而翠绿，有时还由紫变蓝。科学家通过对蝴蝶色彩的研究，为军事防御带来了极大的稗益。在二战期间，德军包围了列宁格勒，企图用轰炸机摧毁其军事目标和其他防御设施。

苏联昆虫学家施万维奇根据当时人们对伪装缺乏认识的情况，提出利用蝴蝶的色彩在花丛中不易被发现的道理，在军事设施上覆盖蝴蝶花纹般的伪装。因此，尽管德军费尽心机，但列宁格勒的军事基地仍然无恙，为赢得最后的胜利奠定了坚实的基础。根据同样的原理，后来人们还生产出了迷彩服，大大减少了战斗中的伤亡。

五、萤火虫——人工冷光

人工冷光，自然界中一些发出的光都并不热，所以人类就把它称为“冷光”。在众多的发光动物中，萤火虫就是其中的一类，萤火虫约有1500种，它们发出的冷光的颜色有黄绿色、橙色，光的亮度也不相同。萤火虫发出冷光一般不仅具有很高的发光效率，而且发出的冷光很柔和，很适合人类的眼睛，光的强度也比较高。

艺术设计博士论文

艺术设计是一种通过物质表达精神的创作手段,是一个能衍生和追溯到多方面的专业集群,也是一种现代化的技术行业。下面是我为大家整理的艺术设计博士论文，供大家参考。

【摘要】

剪纸艺术是中国传统民间艺术的突出代表，具有象征性、平面化、装饰性、符号化等特征。在现代艺术设计中有效融进传统剪纸艺术，既可以保持艺术设计的历史特性，传承中华优秀 传统 文化 ，又使得艺术设计在表现形式与构成手法上避免了简单、肤浅和粗糙，实现了功能需求满足和精神价值的有效统一，使现代艺术设计更具有欣赏价值。本文，笔者综合分析剪纸艺术对现代艺术设计的影响，并为如何在现代艺术设计中融进剪纸艺术提供若干参考建议。

【关键词】剪纸艺术 现代设计 艺术特征

中国剪纸集中反映了我国各族人民辛勤劳作的过程，是人们长期实践积累而成的艺术精粹。剪纸艺术活泼生动的表现形式背后包含着民族的情感气质、群体意识及习俗心理，突出反映了中华民族生存的智慧与纯粹的情感。

一、传统剪纸艺术在现代设计中的应用

首先，传统剪纸艺术被广泛应用于平面设计中，通过对传统图形或一些极具民族色彩的元素进行提炼、改造，使视觉语言得到不断的拓展和丰富。可以说，剪纸艺术在现代设计中的独特表现力不可复制。如，一些动画片造型、影视节目布景、 广告 招贴、插图漫画、印刷包装、书籍装帧等平面设计的领域中就活跃着剪纸艺术的影子。其次，一些雕塑设计之中也不难窥见传统的剪纸艺术元素，增加了雕塑的艺术感染力。由于剪纸艺术自身具备着地方历史文化、时代特色、民俗特色等层面内容，可以有效拓展现代艺术设计领域，并丰富了艺术设计者的艺术表现形式。再者，剪纸艺术丰富了服装设计的形式及内涵。现代人在进行服饰设计过程中。不忘加进一些传统元素，以保证设计既与传统一脉相承，又能做到与时俱进。如，剪纸艺术的传统气质就得到了设计师的青睐，因而市场上很多的衣服、鞋包、被单等图案、花色等满目琳琅，应有尽有，这些图案及花色上均不难窥见剪纸艺术的踪影。因此，剪纸艺术在服装领域得到了广泛的应用或借鉴。

二、现代设计对传统剪纸艺术的创新应用

1.有机结合剪纸功能与特征。

现代设计形式繁多、内容丰富，涉及了产品设计、视觉传达设计、服装设计、环境艺术设计等领域。随着社会的不断发展进步，现代人的审美标准越来越高，传统简单的、视觉的设计已经不能满足人们的审美需要，基于此，辅以现代设计历史内涵和精神灵魂意义重大。因此，现代人在进行设计时，应该传承剪纸艺术的特征，保证其功能性，在此基础上根据人们的个性化需求，针对性变换剪纸艺术的构成手法及表现形式，有机结合剪纸功能与特征。

2.实现“传统性”和“时代性”有效统一。

随着信息化、数字化进程的不断加快，如何在继承和发扬优秀传统的基础上实现开拓、创新是摆在现代设计师面前的一个重要课题。剪纸艺术传统的艺术表现形式如何为现代人欣赏与接纳，并有效渗透到现代人的生活之中，是值得思考的一道难题。纵观世界艺术发展史，我们不难看出，无论是毕加索，还是马蒂斯都曾经尝试着将中国的这种民间传统剪纸艺术渗透到艺术创作过程中。因此，剪纸艺术的魅力及价值是无可替代的。现代设计师要保全这一份艺术精髓，必须发挥丰富的 想象力 、培养创新精神、捕捉创作灵感，使得中国传统的剪纸艺术以一种更为恰当的姿态存在于现代艺术设计之中。

3.运用和发扬剪纸艺术语言。

无论在哪种设计中融进剪纸元素，都应该对剪纸艺术语言保持一种尊重的态度。通过刀工长短、大小、曲直、粗细、疏密、顿挫、刚柔及参差变化等，将剪纸的生态美、朴素美形象生动地表现出来。相反，粗细均匀、整齐划一的现代数字化有时则表现得不伦不类。此外，现代设计在融合剪纸艺术过程中，也可以通过运用变形、夸张等手法将剪纸艺术语言有趣地展现出来，保证文化内涵的象征性、符号化。在设计过程中，剪纸元素的文化意境只有通过语义学、符号学角度去表现才能称得上真正意义上的好设计。避免单纯运用形似元素，有效展现深厚文化底蕴值得深究。

4.创新与发展传统剪纸艺术。

现代设计在继承和发扬传统剪纸艺术的基础上，应该积极进行剪纸艺术的发展与创新，发展方式应该尽量多样化。设计师在选择材质和颜色的时候，应该选择色彩鲜明的彩色剪纸制作现代剪纸画，在设计过程中，避免受传统剪纸模式的局限，坚持选用质地坚硬、寿命较长、厚度较大的艺术纸。以现代科技为支撑，保证制作出来的剪纸画具有独特磁性，可进行重复粘贴，这样就跟现代人生活需求较为接近。剪纸是现代设计不可或缺的一种元素，可以辅助设计出多维、立体、灵活的作品。以艺术家夏阳品为例，夏阳进行长期的海外创作，而其本身偏爱中国文化传统，因而他巧妙借助西方媒介，将中国民间艺术和艺术精神生动、全面地演绎出来，两者的有效协调，不仅体现了深厚的文化底蕴，还富含现代感。他将剪纸元素穿插拼贴到文人的画作构图之中，绚丽多彩的形式之下却保持着质朴天真的本性。

三、结束语

剪纸艺术与现代设计应该相辅相成，剪纸技术的渗透可以保全现代设计艺术的文化底蕴和传统特色，而现代设计的发展和创新，又促使剪纸艺术的发扬与传承。因此，加强剪纸艺术在现代设计中的应用意义重大。

参考文献：

[1]吴俊,丁倩倩.剪纸艺术在礼服中的应用[J].轻纺工业与技术,2012:03.

[2]胡梅芳.民族服饰要素与创意[M].重庆:西南师范大学出版社,2002:57-62.

[3]易心,林曦.民间剪纸艺术图形的象征意义及其造型规律[J].浙江工业大学学报(社会科学版),2003:02.

[内容摘要]本文对目前高校艺术设计专业设计素描教学的现状进行分析，针对存在的问题提出了三个方面的改革 措施 。力求通过对传统的教学模式进行改革和创新，建立更能适应不同的设计专业发展需要的专业素描体系，为学生后期的专业学习与提高设计专业能力奠定良好的知识、技能和思维基础。

[关键词]艺术设计;设计素描;教学模式; 教学 方法 ;改革;创新

一、高校艺术设计专业的设计素描教学现状

1.师资队伍结构不合理

由于专业发展太快而导致师资队伍出现了严重的问题，致使大量既无学校教学 经验 又无企业实践经验的高校应届 毕业 的研究生一毕业就直接进入高校进行一线教学工作，他们以书本知识直接去面对新进入高校的专科学生或本科学生，结果就可想而知了。

2.教学模式单一，教学改革滞后

在相当长一个阶段，设计素描教学无一例外地选择了与平面构成和图形创意联系非常密切的构成性和创意性的设计素描形式，但这种单一的设计素描教学形式并不适合每一个设计类的设计基础教学。众所周知，早在20世纪80年代后期就已经对绘画艺术的素描形式进行了改革，创造了针对 国画 、油画、版画等不同绘画形式的不同素描方法，且取得了非常明显的教学效果。在设计类专业出现的初期，无一例外的沿用了绘画素描的方式来训练学生的设计基础，来解决设计中的基本造型、基本结构和空间等在设计中要运用的基本要领和元素，在很长的一段时间里这种教学模式无可厚非地对当时的设计教学起到了非常积极的作用。然而进入21世纪后，随着整个社会各方面的飞速发展，艺术设计类专业的日新月异，专业分工也越来越细，这么多的设计门类和设计专业还是采用以往的单一的设计素描教学形式显然是行不通的，这种忽视了设计学科不同专业的指向性的教学形式并不适合每一个设计专业。正如在 体育运动 中体能训练和力量训练只是所有的体育项目的通识基础，每个门类的运动还有自己这个项目的特色基础训练，如 篮球 需要练习运球投篮， 足球 需要练习颠球、射门等。由此笔者提出，当今每一个不同的设计门类必须要建立一套与之相适应的设计素描教学体系，在这里我们权且称之为专业素描，也就是逐步与每个专业密切相连的专业设计素描。例如我们已经建立起的影视动画卡通艺术的卡通素描等。

3.教学方法陈旧，学生的 创新思维 能力差

我国素描教学长期以来一直沿袭俄罗斯体系与欧洲传统学院派的传统的教学方法，使学生掌握技法，强化造型能力，却缺少创造环节，这种教学方式在一定程度上制约了设计类专业学生的想象力。设计素描较传统素描而言，其主要任务不再是再现客观对象，而是发现和表现对象。对于设计师来说，丰富的想象力与创造力远比娴熟的技艺更重要。目前国内一些设计类院校已做了一系列调整，提出设计素描的命题，但大多数设计素描的教学仍沿袭传统素描的教学模式，没有和设计类专业的专业特点相结合来开发学生设计思维。

二、设计素描教学改革的措施

笔者就艺术设计的设计基础 教育 中设计素描的教学内容早在2007年就提出来必须进行改革，经过多年的教学实践 总结 ，笔者今天再次提出：现在大多数高校设计素描教学内容只具有一种通识性，而缺乏与每个设计类专业相匹配的设计素描教学内容，因此必须建立适用于不同设计专业门类的专业设计素描教学体系。那么怎么通过专业特点来建立与之相适应的专业设计素描呢?这是我们从事设计基础教学的老师必须解决的问题。

1.建立一门通识性的基础素描课程支撑后续的专业设计素描

设计素描教学应从自然到素描，然后再进入设计的连续的整体，在实际的教学中应对自然与素描的型及设计因素做专门系统的研究，着重培养学生准确的造型能力与丰富的空间思维能力，使基础与专业接轨，环环相扣，由浅入深、由易到难、递进式地进行教学。

2.创建与专业教学相对应的多元化专业素描教学体系和教学环境

各个不同类型的艺术设计专业还必须建立一套与自己这个设计学科相适应的专业设计素描，着重训练学生与自己所修专业的基础性的内容。虽然这类专业素描的训练有可能与某些课程相交叉或重合，但是建立一套与各个门类艺术设计专业相适应的专业素描体系已刻不容缓。艺术的多元化发展需要教学多元化，更须注重艺术实践教学环节。例如产品造型设计的专业设计素描可以多采取以结构造型为主的素描训练形式;视觉传达和广告设计专业可用以创意素描为主题的训练形式;室内空间设计则应以大量的研究透视和装饰性的设计素描为教学方向;园林景观设计可以大量地进行自然风景和人文景观素描为设计素描教学主题。这类教学不一定非要在室内完成，可以把课堂搬到大自然中去，加强学生对自然环境和人文景观的描绘。家具设计专业除了研究传统的装饰素描外，还要让学生更多地研究物体的构成结构、结构的隼接等方面。

3.着力加强创新能力的培养与训练

设计素描教学应以“为设计服务，为人服务”为出发点，结合不同艺术设计专业所需的思维、观察能力与表现方法，运用循序渐进的教学方法有针对性地强化学生创造能力训练，采用多种方法、多种思维将设计意识与创新能力融入训练过程中。在教学中应让学生在全面了解形体、结构、空间、材料等基本特征的基础上，培养学生研究素描本体形式语言、审美表现，以及从视觉特征、效果、传达的感受认知中探寻自我个性的追求和探索的能力;同时通过创作实践活动开发学生设计思维，提高学生的想象能力和创造能力。

三、结语

总之，高校设计基础课教师在设计素描教学中要结合各专业的特点对传统的教学模式进行改革和创新，坚持以设计观念为指导，不断实践和总结经验，建立更能适应不同的设计专业发展需要的专业素描教学体系，着力培养学生的想象能力和创造能力，为学生后期的专业学习与提高设计专业能力奠定良好的知识、技能和思维基础。

参考文献:

1.王中义,许江.从素描走向设计.中国美术学院出版社,2002

2.林家阳,冯俊熙.设计素描.高等教育出版社,2005

3.刘源.从设计的角度学习素描.中国农业出版社,2009

4.李富莉.设计素描教学现状分析与教学探索.大众文艺,2010.41

5.刘树龙.设计素描课程教学现状及其改革刍议.新西部：下旬•理论,2012.8

6.罗琴.优化设计素描教学方法与手段的若干思考.文艺生活：中旬刊,2013.2

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谁能帮我写个《汽车凹坑型非光滑表面减阻特性的分析与优化》的论文

　　[摘要]本文中研究了凹坑型非光滑车身表面的减阻特性．首先探讨了凹坑单元体矩形、菱形、等差等不同排列方式的减阻效果，选取了减阻效果较好的矩形排列方式；然后以单元体直径D、横向间距W和纵向间距L为设计变量，以气动阻力最小为目标，采用拉丁方试验设计方法进行优化；接着利用CFD仿真得到各样本点的响应值，并据此建立Kriging近似模型；最后在验证了近似模型的可信度基础上，以近似模型进行全局优化：结果表明：凹坑单元体矩形排列最大可达7. 62%的减阻效果。
　　关键词：汽车；凹坑型非光滑表面；减阻；CFD仿真；Kriging模型；优化
　　Analysis and Optimization on the Drag Reduction Characteristics of Car with Pit-type Non-smooth Surface
　　[Abstract]Drag reduction characteristic of pit-type non-smooth car body surface is studied in this paper. Firstly the drag reduction effects of rectangle, thombus and equal-different pit arrangement are investigated, and the rectangular arrangement with better drag reduction effect is chosen. Then an optimization by the design of experiment with Latin Hypercube scheme is performed with the diameter and longitudinal and transverse spacing of pit as design variables and minimizing drag as objective. Next, the responses of different sample points are obtained by CFD simulation, and based on which a Kriging metamodel is built. Finally after the confidence of metamodel is verified a global optimization with the metamodel is conducted. The results show that a maximum drag reduction effect up t0 7.62%[xss_clean_space]can be achieved with rectangular pit arrangement.
　　Keywords: car; pit-type non-smooth surface; drag reduction; CFD simulation; Kriging model; optimization
　　前言
　　日前汽车空气动力学的气动阻力特性优化主要通过车身的流线形化和局部改进等方法来实现，由于这些方法研究日益成熟，降低阻力的空间越来越小，汽车减阻进入一个瓶颈期。近年来，基于工程仿生学理论的凹坑型非光滑表面结构的减阻研究迅速发展。其中最典型的应用便是高尔夫凹坑球面。高尔夫球在飞行过程中由于凹坑的存在使空气形成的边界层紧贴球的表面，使平滑的气流顺着球形多往后走一些，延迟了边界层与球体的分离，减小了尾流区，减少了前后的压差阻力，从而使凹坑型球面的高尔夫球比光滑球面的高尔夫球飞得更远。
　　受其启发，本文中将凹坑型非光滑表面运用在汽车表面上，并通过CFD数值仿真，研究其减阻效果。首先研究了凹坑单元体不同排列方式对汽车减阻效果的影响；然后以减阻效果最佳的排列方式为基础，选取相关设计变量，运用拉丁方试验设计方法选出样本点；接着建立了Kriging近似模型-3-；最后通过多岛遗传算法对近似模型进行全局寻优。
　　1 原车模型CFD计算与试验验证
　　1.1计算模型的建立
　　采用UG软件建立了某轿车1:1的实车模型。对模型进行了适当的简化，忽略了门把手、雨刮器、雨水槽等，同时对底盘进行了平整化处理，从而提高了分析效率。轿车模型的长×宽×高分别为5 088×2 036x1 497( mm)，整车模型如图1所示。
　　1.2建立计算网格及求解
　　整车计算域为一围绕车身的长方体，人口距模型前端3倍车长，出口距模型后端7倍车长，总高度为5倍车高，总宽度为7倍车宽。采用ANSYS ICEM CFD软件生成非结构化的四面体网格，在车身要凹坑非光滑处理的表面上进行网格加密，以便更加准确地获取所需的流场信息，同时在车身表面拉伸出与其平行的三棱柱网格作为附面层，以消除壁面函数的影响。为避免网格差异对仿真结果的影响，在仿真过程中，保持棋型相同部分的网格尺寸不变。每次模拟生成的整车总网格数约为360多万。
　　边界条件的设置如下：计算域入口设置为速度人口边界，速度为40m/s，计算域出口为压力出口边界，车身表面设置为无滑移壁面边界条件，计算域地板设置为移动壁面边界条件，计算域上表面及左右侧面均为滑移壁面边界条件。选用Relizable k-ε湍流模型，采用二阶迎风格式进行离散求解，计算域温度为常温进行CFD稳态仿真计算。
　　1.3风洞试验验证
　　通过风洞试验来验证边界条件和湍流模型设置的准确性。试验模型根据CAD模型通过数控加工中心加工成1：3的模型，从而保证了试验用物理模型与数值仿真用CAD模型的一致性。在湖南大学风工程试验研究中心HD-2风洞中进行测力试验，用六分力浮框式测力天平测量模型的气动力。试验风速为40 m/s，启动地面附面层抽吸装置，消除了由
　　于风洞试验引起的地面边界层的影响。轿车模型风洞试验如图2所示。
　　通过风洞试验测得模型的风阻系数CD，并将CFD仿真结果与试验进行对比，如表1所示。风阻系数的相对误差为3. 86%，在工程允许误差5%以内，从而验证了数值仿真的可靠性。
　　2 非光滑处理区域的选定与单元体尺寸的估算
　　非光滑处理区域应该选在能较好控制尾流区的表面，以减小湍能损失和压差阻力，而车身顶盖是对尾流区域影响最大的表面，故本文中主要研究对车身顶盖进行凹坑非光滑处理后的减阻效果，凹坑非光滑区域如图3所示。
　　有关研究表明，无论是气流分离所引起的压差阻力还是由于气体的黏性作用而引起的摩擦阻力，它们总是和边界层及其厚度有关。仿生非光滑减阻方法的实现途径就是通过对边界层的控制来减少湍流猝发强度，减小湍动能的损失。可见，非光滑结构的选择应该和边界层有关，非光滑单元体的尺寸高度或深度应该小于车身表面到对数律区之间的距离。目前国际上关于凹坑减阻的研究仍然较少，没有形成理论体系。因此，在研究初期凹坑型单元体尺寸主要是根据边界层的厚度来确定。
　　平板层流边界层的厚度计算公式为
　　3 凹坑结构尺寸设计与排列方式
　　3.1 凹坑结构尺寸设计
　　在进行凹坑型单元体排列时主要考虑单元体的尺寸：直径D、横向间距W、纵向间距L和凹坑深度S，见图4。为了设计与排列方便，取深度S为直径D的一半。根据计算模型最大边界层厚度、车身顶盖的尺寸、汽车行驶速度和凹坑单元体之间防干涉的要求，给定D、W、L和S的取值范围分别为[10，40]、[60，160]、[60，160]和[5，20]，单位为mm。
　　3.2 凹坑单元体排列方式的影响
　　根据大量的仿生学实验可知，例如土壤动物蜣螂在土中运动自如一方面得益于其体表的非光滑单元体凹坑形状，另一方面得益于其凹坑单元体的排列方式。为此在研究凹坑型非光滑车身表面的减阻性能时，要考虑其排列方式的影响。本文中选取了常见的3种排列方式：矩形排列、菱形排列和等差排列，如图5所示。
　　本文中选取D= 15mm，形=120mm．￡=120mm．对这3种排列方式进行CFD仿真，其结果见表2。
　　由表2可知，3种凹坑型单元体排列方式中矩形排到减阻效果最佳，降阻率达2. 13%。
　　4 凹坑型非光滑表面优化设计
　　4.1 优化流程与设计变量的选取
　　根据3种排列方式的CFD仿真结果知，矩形排列方式减阻效果最佳，故以矩形排列凹坑型非光滑表面作为优化对象。整个分析与优化过程如下：(1)确定设计变量，使用拉丁方设计方法选取样本点；(2)通过CFD仿真得出各样本点的响应值，并以样本点和响应值构建近似模型；(3)选取3组新的样本点验证近似模型的精度，若不精确则须重新选取样本点；(4)在验证近似模型可信度的基础E，利用优化算法在满足约束条件的区域内实现全局寻优，得到最优解，最后再回代到仿真模型中校核计算，如图6所示。
　　以D、W和L为设计变量，寻求最优的组合，以达到最大的减阻效果，即求得最小CD值。
　　4.2试验设计 ，
　　根据设计变量的取值范围，采用拉丁方抽样方法。选取20组样本点进行CFD模拟计算，得到20组响应值。各设计变量对CD值的影响关系如图7所示，D等表示单个设计变量对CD的影响，D-W等表示两个变量对CD交互影响，D�0�5等表示设计变量平方对CD的影响。
　　从图7可见，对CD影响最大的设计变量是L，D次之，W影响最小。D与形之间的交互效应最为明显，L和D次之，形和￡之间的交互效应最小。虽然W对气动阻力的影响较小，但是W与其他参数之间交互效应对CD的影响不能忽视。
　　4.3近似模型的建立
　　近似模型是指在不降低计算精度情况下构造的一个计算量小、计算周期短，但计算结果与数值分析或物理实验结果相近的数学模型；用于代替计算代价高昂的仿真分析软件，大幅提高分析效率，同时剔除仿真软件的“计算噪声”。用于构建近似模型的方法主要有：响应面模型、Kriging模型、径向基神经网络模型和泰勒级数模型等。
　　与其他模型相比，Kriging模型构建的近似面可以覆盖所有的样本点，近似面质量很高，因此采用Kriging模型构建近似模型。
　　为r检验所建立的近似模型的拟合精度，在设计空间中选取试验设计方案外的任意3个实验点进行CFD仿真，并与近似模型的计算结果进行对比，如表3所示。
　　由表3可知，验证点的CFD值与近似模型值相差均在2%以内，这表明所建立的近似模型可以很好地描述设计变量与响应值之间的关系，可信度较高，可取代直接的CFD计算。
　　4.4优化结果与分析
　　多岛遗传算法(multiple island genetic algorithm，MIGA)建立在传统遗传算法基础上。它小同于传统遗传算法的特点是：每个种群的个体被分成几个子群，这些子群称为“岛”：传统遗传算法的所有操作，例如：选择、交叉、变异分别在每个岛上进行，每个岛上选定的个体定期地迁移到另外岛上，然后继续进行传统遗传算法操作。迁移过程由迁移间隔和迁移率这两个参数进行控制。迁移间隔表示每次迁移的代数，迁移率决定在一次迁移过程中每个岛上迁移的个体数量的百分比。多岛遗传算法中的迁移操作保持了优化解的多样性，提高了包含全局最优解的机会。
　　本文中采用多岛遗传算法对所建立的近似模型进行寻优，初始种群个数为50，岛数为10，迭代代数为100，最终得出近似模型最优解为D= 40mm，W=100mm，L=69mm。对得到的最优解进行CFD仿真，相对误差为0. 80%。
　　对车身表面进行凹坑型非光滑处理后，最大的降阻率可达7. 62 ％，其具体数值见表4。
　　图8和图9分别给出了原车与优化后的汽车尾部压力云图和速度流线图。
　　对比图8和图9可以看出，优化后汽车尾部的负压区域明显减小，正压区显著增大，进而减小了前后压差阻力，同时改善了尾部的涡流，减小了车辆的气动阻力，降低了汽车的燃油消耗。
　　5结论
　　(1)在车身表面进行凹坑型非光滑处理具有良好的减阻效果，能有效降低汽车的气动阻力，进而降低油耗，提高燃油经济性。
　　(2)凹坑型非光滑表面的减阻特性与凹坑单元体的排列方式有关，其中矩形排列方式减阻效果较佳。选取矩形排列时凹坑单元体直径、横向间距和纵向间距作为设计变量进行试验设计，建立近似模型，并采用多岛遗传算法进行优化，优化后最大降阻率可达7. 62%。
　　(3)试验设计、近似模型和优化算法相结合的方法，能为车身凹坑型非光滑表面减阻的研究和优化提供一定的工程指导。
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　　（来源：中国技师网）