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基于机器学习的汽车阻力系数预测研究

张红伟 袁子厚 杜焱铭 郑兴任

张红伟, 袁子厚, 杜焱铭, 郑兴任. 基于机器学习的汽车阻力系数预测研究[J]. 上海工程技术大学学报, 2025, 39(4): 382-388. doi: 10.12299/jsues.24-0187
引用本文: 张红伟, 袁子厚, 杜焱铭, 郑兴任. 基于机器学习的汽车阻力系数预测研究[J]. 上海工程技术大学学报, 2025, 39(4): 382-388. doi: 10.12299/jsues.24-0187
ZHANG Hongwei, YUAN Zihou, DU Yanming, ZHENG Xingren. Research on prediction of vehicle drag coefficient based on machine learning[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2025, 39(4): 382-388. doi: 10.12299/jsues.24-0187
Citation: ZHANG Hongwei, YUAN Zihou, DU Yanming, ZHENG Xingren. Research on prediction of vehicle drag coefficient based on machine learning[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2025, 39(4): 382-388. doi: 10.12299/jsues.24-0187

基于机器学习的汽车阻力系数预测研究

doi: 10.12299/jsues.24-0187
基金项目: 国家自然科学基金(11502177);湖北省数字化纺织装备重点实验室开放基金项目(DTL2019019)
详细信息
    作者简介:

    张红伟(1999 − ),男,硕士,研究方向为汽车流体仿真。E-mail:13636032104@163.com

    通讯作者:

    袁子厚(1966 − ),男,教授,博士,研究方向为汽车碰撞分析与流体仿真。E-mail:whuyzh@163.com

  • 中图分类号: O357.5 + 2

Research on prediction of vehicle drag coefficient based on machine learning

  • 摘要: 扩散器是一种先进的空气动力学改进装置,通过有效引导气流来降低车辆的阻力系数。为降低汽车空气动力学性能开发的时间成本,将其安装在Ahmed模型侧面,扩散器的特征尺寸作为设计变量,阻力系数为响应值。采用最优拉丁超立方实验设计(DOE)方法生成DOE矩阵。再运用Fluent求解每组实验方案的阻力系数仿真值。构建数据集后,应用于径向基函数(RBF)、极端随机树(Extra Trees)、极限梯度提升树(XGBoost)、粒子群优化−反向传播(PSO-BP)等模型,结果表明PSO-BP模型预测精度最佳,RBF模型最差。通过Extra Trees算法分析5个设计变量对阻力系数的影响程度,影响最大的变量为X1,影响最小的变量为X5,由此可得机器学习应用于汽车空气动力学设计的可行性。
  • 图  1  Ahmed汽车模型

    Figure  1.  Ahmed car model

    图  2  计算域网格划分结果

    Figure  2.  Computational domain meshing results

    图  3  计算域的边界

    Figure  3.  Boundaries of computational domain

    图  4  设计变量

    Figure  4.  Design variables

    图  5  PSO-BP算法流程图

    Figure  5.  Flowchart of PSO-BP algorithm

    图  6  不同预测模型的拟合效果对比

    Figure  6.  Comparison of fitting effects of different prediction models

    图  7  不同预测模型的回归曲线图对比

    Figure  7.  Comparison of regression graphs of different prediction models

    表  1  不同网格尺寸的阻力系数

    Table  1.   Drag coefficients for different grid sizes

    体网格数/104 阻力系数CD 误差/%
    1650.324713.92
    2020.323713.58
    3070.315410.67
    3970.30828.14
    5280.30767.93
    5560.29322.88
    7960.29322.88
    实验值0.2850[7]
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    表  2  设计变量取值范围

    Table  2.   Range of values of design variables

    设计变量名 取值范围
    扩散器与水平面的夹角X1/(°) [15°, 30°]
    扩散器的厚度X2/mm [5, 15]
    扩散器的长度X3/mm [100, 150]
    扩散器的过渡圆角半径X4/mm [10, 35]
    两个扩散器的间距X5/mm [10, 25]
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    表  3  数据集

    Table  3.   Datasets

    样本数 X1 X2 X3 X4 X5 CD
    1 25.00 9.62 101.28 17.69 23.08 0.2422
    2 21.92 10.38 144.87 16.41 11.15 0.2386
    $\vdots $ $\vdots $ $\vdots $ $\vdots $ $\vdots $ $\vdots $ $\vdots $
    39 19.23 7.82 128.21 12.56 24.62 0.2331
    40 23.85 5.00 111.54 23.46 18.85 0.2436
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    表  5  Extra Trees模型参数设置

    Table  5.   Extra Trees model parameter settings

    参数名 参数值
    数据切分 0.7
    节点分裂评价准则 MSE
    内部节点分裂的最小样本数 2
    叶子节点的最小样本数 1
    叶子节点中样本的最小权重 0
    树的最大深度 10
    叶子节点的最大数量 50
    决策树数量 100
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    表  6  XGBoost模型参数设置

    Table  6.   XGBoost model parameter settings

    参数名 参数值
    数据切分 0.7
    基学习器 gbtree
    基学习器数量 100
    学习率 0.1
    L1正则项 0
    L2正则项 1
    样本征采样率 1
    树特征采样率 1
    节点特征采样率 1
    叶子节点中样本的最小权重 0
    树的最大深度 10
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    表  4  拟合模型回归曲线的决定系数和均方根误差对比

    Table  4.   Comparison of R2 and RMSE of regression curve of fitted model

    模型 R2 RMSE
    RBF 0.9607 0.0017
    Extra Trees 0.9816 0.0015
    XGBoost 0.9781 0.0016
    PSO-BP 0.9933 0.0009
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-06-26
  • 网络出版日期:  2026-02-02
  • 刊出日期:  2025-12-01

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