基于空氣動(dòng)力學(xué)分析的A柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

曹升平，楊小弟

（江蘇敏安電動(dòng)汽車有限公司，江蘇 南京210000）

0 前言

目前轎車的風(fēng)阻系數(shù)一般在0.28～0.4之間，SUV車型風(fēng)阻系數(shù)因受造型限制，一般在0.33以上。

隨著國內(nèi)越來越嚴(yán)苛的排放法規(guī)要求和客戶的舒適性需求，國內(nèi)汽車企業(yè)在性能開發(fā)中也越來越關(guān)注燃油消耗率和NVH性能。而且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的汽車分析軟件被引入到自主品牌汽車企業(yè)車型開發(fā)過程中，并且起到很重要的作用，空氣動(dòng)力學(xué)分析就是其中之一。上個(gè)世紀(jì)80年代開始，歐美主機(jī)廠開始將CFD應(yīng)用于汽車設(shè)計(jì)過程中。近年來開始采取不同的湍流模型模擬氣流分離流動(dòng)，通過汽車空氣動(dòng)力外形設(shè)計(jì)，光順汽車外形，調(diào)整甚至消除流動(dòng)分離和渦流的產(chǎn)生。國內(nèi)對汽車空氣動(dòng)力學(xué)的研究上的起步比較晚，上個(gè)世紀(jì)末才開始引入研究，到近幾年自主車企才開始在車身外造型優(yōu)化中應(yīng)用，由于算法及精度問題，對造型的優(yōu)選，以及局部細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化評估，還主要是在定性對比階段[1-5]。

本文以車身A柱結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)為例，介紹了在汽車造型階段，通過對局部工程結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化，在滿足車身剛強(qiáng)度、安全要求以及視野法規(guī)要求的前提下實(shí)現(xiàn)CFD模流分析中風(fēng)阻系數(shù)和車身外表面空氣湍流更小的造型形式，從而達(dá)到提高燃油效率，提升整車的舒適性、操控性，提升產(chǎn)品的市場競爭力的目的。

1 造型分析

當(dāng)前車型造型通過油泥模型試驗(yàn)測試，風(fēng)阻系數(shù)為0.362，與目標(biāo)定義0.34任有較大差距，需通過分析找出造型優(yōu)化方案以進(jìn)一步減小風(fēng)阻系數(shù)。

將造型CAD模型導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)行處理，通過汽車外流場CFD分析，從分析結(jié)果中找出氣流分離區(qū)及渦流區(qū)域，并使用網(wǎng)格處理來實(shí)現(xiàn)模型修改，找出通過局部優(yōu)化提升性能的建議方案。

從分析結(jié)果的可視化圖形中（圖1）能看到造型現(xiàn)有方案在A柱處氣流過早分離，導(dǎo)致在A柱后方的側(cè)門玻璃上湍流載荷和聲波載荷集中，增大能量損耗，不利于控制氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)噪聲。

圖1 湍流載荷

2 A柱局部優(yōu)化建議

針對A柱氣流分離進(jìn)行模型修改分析，發(fā)現(xiàn)通過將A柱靠近前風(fēng)擋玻璃處平面加寬，可以延遲氣流分離，減小分離區(qū)。圖2是截面加寬5 mm示意。

圖2 A柱截面加寬5mm

同時(shí)在A柱與前風(fēng)擋的邊界增加氣流導(dǎo)槽，如圖3所示，優(yōu)化氣流在A柱分離點(diǎn)位置，可降低側(cè)門玻璃的氣動(dòng)噪聲。

為證實(shí)這一設(shè)想，她利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)，敲除該基因編碼區(qū)，被破壞掉編碼區(qū)的ZmGRP1就無法正常表達(dá)。將經(jīng)過此處理的植株和正常植株進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)有一千多個(gè)基因的可變剪接受到影響。ZmGRP1就如司令官指揮千軍萬馬一般，調(diào)控著這些基因的可變剪接。

圖3 A柱斷面增加導(dǎo)槽

3 工程可行性分析

根據(jù)造型更改建議方案，工程分析結(jié)構(gòu)可行性。

3.1 A柱加寬5 mm

對A柱加寬進(jìn)行斷面分析：車身A柱平面向車內(nèi)增加5 mm，從而使車身A柱與前風(fēng)擋分縫線向車內(nèi)方向也移動(dòng)5 mm，玻璃涂膠空間不變，導(dǎo)致玻璃黑邊也需要向車內(nèi)方向移動(dòng)5 mm。從工藝角度和剛強(qiáng)度上考慮都可行，但是A柱加寬后會(huì)影響視野障礙角，從A柱障礙角校核斷面上可以看到黑邊向車內(nèi)移動(dòng)5 mm后，導(dǎo)致障礙角角度增大0.5°，如圖4所示。

圖4 A柱障礙角校核

3.2 A柱與前風(fēng)擋的邊界增加氣流導(dǎo)槽

針對流場分析建議A柱與風(fēng)擋之間增加氣流導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，直接在側(cè)圍鈑金增加導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)主要影響側(cè)圍外板沖壓工藝，經(jīng)沖壓工藝分析，增加導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)導(dǎo)致模具整形工序結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，壓料力不足，會(huì)引起側(cè)圍外板A面品質(zhì)問題；整形斜鍥回退空間不足，回退過程與零件干涉，同時(shí)因?yàn)榇颂巶?cè)圍外板會(huì)出現(xiàn)負(fù)角，需要二次整形，原有工序中無法在此處增加一次整形，需要增加單獨(dú)一序整形，導(dǎo)致無法適應(yīng)沖壓車間自動(dòng)化線生產(chǎn)，自動(dòng)化線要求零件四/五序化生產(chǎn)。

綜上分析，直接將車身A柱截面寬度增加并增加導(dǎo)槽的結(jié)構(gòu)不可行。

結(jié)合市場中競品車型對比分析，可采用如奧迪A3類似結(jié)構(gòu)，在風(fēng)擋玻璃增加側(cè)裝飾條的方案達(dá)到此效果。裝飾條可通過注塑成型，滿足導(dǎo)槽截面要求，同時(shí)裝飾條可布置在玻璃黑邊范圍內(nèi)，不僅可以不增大A柱障礙角，還可以從車外遮擋風(fēng)擋黑邊，從外觀上減小了玻璃黑邊區(qū)域。

通過結(jié)構(gòu)可行性分析，選擇通過增加前風(fēng)窗裝飾條的方案進(jìn)行后續(xù)分析。

4 工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

增加風(fēng)窗裝飾條需要車身提供安裝固定結(jié)構(gòu)，可采用車身焊接安裝支架、車身鉚接安裝支架、車身植焊T形釘?shù)确绞綄?shí)現(xiàn)。

4.1 車身焊接安裝支架

如圖5結(jié)構(gòu)所示，車身側(cè)圍外板焊接金屬支架，風(fēng)擋裝飾條通過卡接在金屬支架中。

圖5 車身焊接安裝支架結(jié)構(gòu)示意

此結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)過程中焊接定位比較困難，定位夾具翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)過程質(zhì)量不好控制，側(cè)圍外板A柱腔體較小，焊鉗容易與側(cè)圍外板外觀面出現(xiàn)磕碰損傷。

4.2 車身鉚接安裝支架

如圖6所示，在車身側(cè)圍外板上通過鉚接工藝增加裝飾條安裝支架，裝飾條卡接在安裝支架中。

圖6 車身鉚接安裝支架結(jié)構(gòu)示意

鉚接直接方案能有效規(guī)避焊接支架方案的風(fēng)險(xiǎn)問題，但是鉚接需要在側(cè)圍外板的側(cè)面增加鉚接孔，沖壓分析需要在增加工序，無法滿足五序化生產(chǎn)，同時(shí)模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，斜鍥實(shí)現(xiàn)困難，且沖孔落料滑落不穩(wěn)，除此之外模具強(qiáng)度也存在風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 車身植焊T形釘

如圖7所示，側(cè)圍外板植焊T形釘，風(fēng)擋裝飾條通過卡接在T形釘上。

圖7 側(cè)圍外板植焊T形釘結(jié)構(gòu)示意

此方案需避免安裝后出現(xiàn)晃動(dòng)量大的問題。

綜合對比分析車身焊接支架、車身鉚接支架、植焊T形釘?shù)确桨傅墓に噷?shí)現(xiàn)難度及后續(xù)質(zhì)量控制，最終選擇工藝更容易實(shí)現(xiàn)的車身植焊T形釘方案來提供A柱裝飾條安裝，外觀結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 A柱結(jié)構(gòu)外觀圖

對最終A柱裝飾條方案進(jìn)行CAE仿真分析，驗(yàn)證最終方案對風(fēng)阻及風(fēng)噪的改善效果。圖9是增加A柱裝飾條前后氣流在A柱的分流區(qū)變化，左側(cè)為未增加A柱裝飾條的狀態(tài)，右側(cè)為增加A柱裝飾條的狀態(tài)，對比更改前后風(fēng)阻系數(shù)減少0.002 5。

圖9 A柱氣流分流區(qū)示意圖

圖10 為有無A柱裝飾條的內(nèi)部頻譜對比曲線。從分析曲線可以看到，增加A柱裝飾條，優(yōu)化氣流在A柱的分離，可以將聲壓級降低2～3 dBA。

圖10 有無A柱裝飾條內(nèi)部頻譜對比

5 結(jié)束語

空氣動(dòng)力學(xué)分析在汽車開發(fā)過程中越來越多的被主機(jī)廠引入，并在造型階段通過CFD分析，以降低風(fēng)阻和減小風(fēng)噪等為出發(fā)點(diǎn)，為造型提供優(yōu)化建議，工程結(jié)構(gòu)應(yīng)在滿足其他功能、性能的前提下，盡可能的從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)工藝可行的方案，以達(dá)到市場越來越高的燃油經(jīng)濟(jì)性、NVH舒適性、穩(wěn)定操控性要求。