節(jié)能車車身空氣動力學(xué)分析

關(guān)靖川

摘 要：節(jié)能車是為節(jié)能環(huán)保而生的專業(yè)機動車輛。通過優(yōu)化燃油經(jīng)濟性能、車身的空氣阻力、車身表面及車后流場，可對車輛正常行駛狀態(tài)下節(jié)油性能的提升有較大的幫助。為此，使用先進(jìn)的網(wǎng)格劃分軟件hypermesh及流體有限元分析軟件Fluent，完成對車身的空氣動力學(xué)分析，得出車輛最優(yōu)離地間隙的所在范圍，為后續(xù)節(jié)能車輛車身的設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：節(jié)能車；車架；有限元；強度分析

中圖分類號：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.02.099

0 引言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，全球能源危機日益凸顯。電動汽車雖被看作是未來首選的代步工具，但存在著行程短、基礎(chǔ)設(shè)施成本高、制造成本高、制造環(huán)境因素復(fù)雜等因素而遠(yuǎn)未被廣泛接受，因此開發(fā)低排量、節(jié)能環(huán)保、美觀實用的車輛成為未來發(fā)展趨勢之一。在此背景下，Honda于廣州國際賽車場舉辦了每年一屆的Honda節(jié)能競技大賽。為達(dá)到降低油耗的目的，大賽規(guī)定參賽團隊設(shè)計制作的節(jié)能車需在規(guī)定時間內(nèi)（不超過25分鐘）、規(guī)定賽程路線下（國際賽車場），行駛要求距離（于指定時間內(nèi)繞賽場行駛3圈），并由所得結(jié)果換算出該節(jié)能車每升油能夠行駛的公里數(shù)。質(zhì)量輕、強度高、風(fēng)阻小且美觀的車身是節(jié)能車輛（出油耗低、實用性高）優(yōu)勝的關(guān)鍵模塊之一。中國節(jié)能車大賽迎合了時代節(jié)能的主題，為各個參賽隊提供了一個自我展示的平臺的同時，盡可能地激發(fā)創(chuàng)新理念并提升創(chuàng)新能力，展現(xiàn)“一升汽油”的無限潛能。在設(shè)計制作者體會到理論與實踐相結(jié)合重要性的同時，更為未來汽車節(jié)能領(lǐng)域的實際運用帶來無限的未知性和可能性。

根據(jù)節(jié)能車競技大賽賽方要求，參賽車輛必須搭載由本田公司提供的125cc小排量四沖程單缸發(fā)動機（發(fā)動機結(jié)構(gòu)可自行改裝）。因此在同等發(fā)動機和賽場條件下，對車輛發(fā)動機的改裝將對降低油耗有巨大意義，如提高發(fā)動機活塞壓縮比、更改進(jìn)氣出氣閥和化油器、更換氣缸套及切割發(fā)動機部分散熱用筋板以降低發(fā)動機自身重量等等。但對發(fā)動機機殼過多的切割及改造勢必會帶來其所能承載最大載荷的減小，甚至造成結(jié)構(gòu)失效。類比上述發(fā)動機，車身設(shè)計也面臨著同樣的問題，即車身過多的減重將會對車輛穩(wěn)定性和安全性造成很大的影響。因而車身在設(shè)計前需考慮車身的使用材料，但也需首先考慮車架、發(fā)動機以及轉(zhuǎn)向等模塊的總布置影響，并參考其他車身造型數(shù)據(jù)確定該車的主要參數(shù)，通過計算確定整車車身外形的選型和其他可調(diào)整模塊的布置。

1 車身側(cè)截面設(shè)計

節(jié)能車燃油組與普通汽車具有相同的主體構(gòu)架組分，包括轉(zhuǎn)向、剎車、發(fā)動機、車架、傳動、車身等。其中，車身由于在設(shè)計上多采用曲面設(shè)計，因而需采用合適的設(shè)計工程軟件，例如CATIA、UG、CATIA、ProE和Rhino等，各類軟件具有各自獨特的建模思路和方法。本文采用Rhino作為車身截面曲線的建模軟件，完成車體側(cè)面最大截面的曲線建模，并依次生成模擬風(fēng)洞曲面，為后續(xù)的網(wǎng)格劃分打下基礎(chǔ)。

而在車身造型設(shè)計中，外形設(shè)計主要風(fēng)格為流線型，目的是降低其空氣阻力的影響，也是本文優(yōu)化設(shè)計的主要參照依據(jù)；再者，在設(shè)計車身前需明確內(nèi)部零部件的布置合理性，以便于駕駛員進(jìn)出車內(nèi)。此外，在盡量減小迎風(fēng)面積的同時也需考慮到所設(shè)計的車身外型要符合審美，如在成本可控范圍內(nèi)添加其他的曲面元素和繪制噴漆樣式等方法。

本文之所以采用二維車身最大側(cè)截面作為分析目標(biāo)，是在最小計算成本情況下，分析在二維空間和立體空間中類同的影響因素，如車身離地間隙。由于空間流體分析網(wǎng)格數(shù)量巨大，求解節(jié)點數(shù)量遠(yuǎn)高于二維情況，且網(wǎng)格劃分難度大，計算量大，因而對于2D和3D空間內(nèi)類同的影響因子，首選二維模擬，同時也可作為具備空間風(fēng)洞計算模擬的條件下三維分析結(jié)果的參考。

所設(shè)計的車身模擬風(fēng)洞二維截面圖如下圖所示，車頭前部較短，以減小計算量，車體后部空間較為充足，為觀察到車體完整的尾流、湍流以及速度場、壓力場分布，及車身空氣動力學(xué)優(yōu)化提供方向。

由上圖可知，車身在二維截面風(fēng)洞分析中，除車身曲線對風(fēng)阻有較大影響外，還存在后輪整流罩及離地間隙對車身風(fēng)阻的影響，因而本文主要考慮車身離地間隙（車身與車架貼合部位距地面間距）對其行駛方向風(fēng)阻的影響。

在完成車身截面曲線設(shè)計前，還需考慮的是車身曲線設(shè)計對加工制造難度的影響。由于曲線是有一系列控制曲線切向和法向的CV控制點控制，因而對于復(fù)雜曲線，控制曲線的CV點將較多，也會因此影響生產(chǎn)擬合模擬的精度，從而在生產(chǎn)制造方面難以滿足設(shè)計要求。所以在設(shè)計車身曲線時還應(yīng)考慮使用較少的CV點得到較為滿意的最高擬合程度曲線，在設(shè)計上達(dá)到了易于制造、降低成本，及降低了網(wǎng)格劃分時模擬的擬合難度，從而減少了所需擬合曲線的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量，降低總體計算量。

同時在設(shè)計時也盡可能地使用一次性繪制出的曲線作為車身的設(shè)計截面曲線，以保證車身曲面的連續(xù)性；對于汽車而言，一般要求最低曲面連續(xù)性為G3，即曲線方程三階導(dǎo)數(shù)可導(dǎo)，而對于本文節(jié)能車車身，只需保持在G2切線連續(xù)級別以上連續(xù)即可。

2 車身網(wǎng)格劃分及前處理

車身網(wǎng)格劃分同結(jié)構(gòu)強度分析中不同的是多采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行分網(wǎng)，以達(dá)到網(wǎng)格與模型的最大擬合程度，保證網(wǎng)格尺寸與實際情況的貼近程度，而流體分析可使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，或兩種網(wǎng)格混合使用。

對于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，一般為三角形單元和四面體單元，特殊情況下可使用金字塔單元作為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格混合使用時的過渡網(wǎng)格。模型在特殊情況下可使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，在此情況下，對象表面變化較為規(guī)則，無復(fù)雜結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，容易進(jìn)行四邊形或六面體網(wǎng)格的劃分。但使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格也存在誤差，相比結(jié)構(gòu)網(wǎng)格稍高，且存在所劃分網(wǎng)格的總節(jié)點數(shù)量多，計算量大的弊端。因而若想提高精度，可在適當(dāng)情況下采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格混合非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的劃分方法，既保證了求解精度，同時提高了在結(jié)構(gòu)網(wǎng)格情況下的網(wǎng)格與實際模型的擬合精度。

對于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，一般為四邊形或六面體，甚至超過六個面的多面體網(wǎng)格，其網(wǎng)格求解精度較高，但能夠貼合的模型一般為簡單、非復(fù)雜模型；因而對于簡單模型，可采用該網(wǎng)格進(jìn)行劃分，不僅保證了求解質(zhì)量，且由于同樣模型網(wǎng)格劃分條件下，其節(jié)點數(shù)量相比結(jié)構(gòu)網(wǎng)格要低很多，故計算量小，求解精度高。但對于復(fù)雜模型，該網(wǎng)格將只能針對可簡化，或簡單局部模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以保證其質(zhì)量，同時針對復(fù)雜模型部分輔助以非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，從而將二者綜合使用，互補優(yōu)缺。

同時需要注意的是在劃分網(wǎng)格前盡可能地簡化模型，如對于汽車的空氣動力學(xué)分析會為了減少計算量，對模型做出一定的簡化，如將貨車的貨廂處理成一個相應(yīng)大小的長方體，并忽略其表面細(xì)節(jié)，車輛的貨廂底部以平面代替，車輛傳動軸及后車轎在計算中不考慮同樣作平面簡化，前端駕駛室外部造型細(xì)節(jié)盡量保留，包括底部機艙及進(jìn)氣格柵等；同時也為了保證網(wǎng)格與幾何有很好的貼合性，車身曲面選擇使用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分。此外，純流體分析所使用的網(wǎng)格除了非流固耦合，且偏向結(jié)構(gòu)方向的流體分析外，無需賦予網(wǎng)格相應(yīng)的風(fēng)洞內(nèi)流體和固體材料屬性，而是在邊界條件中添加，因而在網(wǎng)格劃分時所需注意的即為邊界層和風(fēng)洞內(nèi)網(wǎng)格質(zhì)量及網(wǎng)格與模型的貼合度，即保證網(wǎng)格擬合模型的精度，符合實際情況中的車身曲面。

3 求解結(jié)果及后處理

車身在完成相關(guān)邊界條件的設(shè)置，如風(fēng)洞入口流速，內(nèi)部空氣粘度和密度，風(fēng)洞水力直徑和湍流密度等參數(shù)后，進(jìn)行初始化，設(shè)定可能計算收斂的迭代次數(shù)后進(jìn)行計算，得到了如下在不同車身離地間隙情況下的風(fēng)阻分析結(jié)果，見表1。

其中，以離地80mm間隙為例，如圖2所示，車身尾部的尾流很長，說明車身風(fēng)阻呈現(xiàn)出減小的趨勢，且在車身尾部可以觀察到了相應(yīng)較長的負(fù)壓區(qū)，符合實際情況描述。此外，所得車體運動方向空氣阻力數(shù)值為5.33N，其中壓差阻力占4.06N，粘度阻力占1.27N，總風(fēng)阻系數(shù)為0.087，由此可知，由于空氣在常溫下粘度較小，壓差阻力為總空氣阻力的主要占比，而由于車身的迎風(fēng)角和車尾的過渡區(qū)設(shè)計對車體氣動分布影響較大，因此與車身離地間隙一樣是可優(yōu)化的關(guān)鍵變量。

由以上結(jié)果可知，車身在離地間隙為80mm時得到風(fēng)阻最小，但由于80mm離地間隙將可能造成車輛在正常賽道行駛過程中與地面接觸，因而在最終交付設(shè)計圖紙、考慮加工過程前，需綜合得出位于80-100mm之間的采納數(shù)值。

4 結(jié)論

本文主要采用有限元模擬仿真軟件，以高效、快速、低成本的途徑間接完成了節(jié)能車車身的空氣動力學(xué)分析，得到了不同離地間隙下的車身在正常行駛狀態(tài)下的風(fēng)阻及速度場、壓力場云圖。通過觀察車身周圍，特別是車底部的氣動分布，以及所得風(fēng)阻數(shù)值，得知車身的優(yōu)化設(shè)計方向，使車輛在空氣動力學(xué)性能上得到提升，在比賽中獲得更好的成績。而本文主要以離地間隙作為變量分析得出了車輛在風(fēng)阻數(shù)據(jù)參照下可能的最優(yōu)離地間隙設(shè)計范圍，之后還可以車身迎風(fēng)角，車尾過渡區(qū)，車身前、后半段長度，車身總體高度，車后輪罩形狀等變量作為可優(yōu)化因素，結(jié)合其他設(shè)計模塊的總體布置，綜合考量得出該節(jié)能車車身的最優(yōu)化設(shè)計方案。

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