基于空氣動(dòng)力學(xué)汽車車身優(yōu)化改進(jìn)研究

劉惠超 孫悅 鄒倩

摘要：與原有的車身造型研發(fā)技術(shù)進(jìn)行對比，建立在空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上的車身造型研發(fā)方式具有更加明顯的汽車節(jié)能性與環(huán)保性優(yōu)勢。并且，汽車造型工藝以及空氣動(dòng)力學(xué)的基本原理之間具有內(nèi)在聯(lián)系?；谡噮?shù)建立車身和風(fēng)洞的三維模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立車身空氣動(dòng)力學(xué)的有限元模型。采用k-ε湍流模型，利用耦合式求解器對車身進(jìn)行外流場的仿真分析，得出影響車身外流場的汽車結(jié)構(gòu)性能參數(shù).對影響車身氣動(dòng)性變化的結(jié)構(gòu)因素進(jìn)行仿真分析，并以此為依據(jù)對原始車身模型進(jìn)行氣動(dòng)造型優(yōu)化.對改進(jìn)的車身進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力都有所降低，驗(yàn)證改進(jìn)方法的有效性，為汽車車身的優(yōu)化研究提供新的參考方法。

關(guān)鍵詞：汽車車身;氣動(dòng)阻力;氣動(dòng)升力;優(yōu)化

中圖分類號：U463.82? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 研究背景

作為汽車的重要組成部分，汽車車身一直都是汽車開發(fā)的重點(diǎn).而汽車的動(dòng)力性、燃料經(jīng)濟(jì)性與操縱穩(wěn)定性都受到氣動(dòng)力的影響.因此，汽車空氣動(dòng)力學(xué)越發(fā)受到重視，如何獲得擁有良好氣動(dòng)性的汽車車身也成為現(xiàn)代汽車工業(yè)中的重要課題，而汽車外流場分析則是對汽車車身進(jìn)行氣動(dòng)造型優(yōu)化的重要途徑[1]。

汽車在高速行駛時(shí)，氣動(dòng)阻力在行駛總阻力中占了很大的比例，因此降低汽車車身的氣動(dòng)阻力系數(shù)是很有必要的.較低的氣動(dòng)阻力系數(shù)能夠降低汽車的氣動(dòng)阻力，有效提升汽車的動(dòng)力性并且減少其燃油消耗和廢氣排放量.汽車行駛中由于上部與底部氣流速度差產(chǎn)生的氣動(dòng)升力減小了汽車的抓地力，使得汽車“發(fā)飄”，影響了汽車的操縱穩(wěn)定性，這就需要減小汽車的氣動(dòng)升力系數(shù).除此之外，合理的汽車氣動(dòng)布局也能夠改善汽車高速行駛時(shí)的操作穩(wěn)定性。

2 汽車外流場仿真分析

2.1車身和風(fēng)洞的仿真模型建立

整車性能參數(shù)見表1.

由于車身的對稱性，為提高計(jì)算的效率，采用一半車身進(jìn)行分析，以此來降低計(jì)算量并節(jié)約時(shí)間。

原車模型由于存在多個(gè)曲面與細(xì)小部件，會(huì)給網(wǎng)格劃分帶來難度，并且使得網(wǎng)格質(zhì)量下降，計(jì)算時(shí)難以收斂.因此建模過程中，用光滑的曲面來替代進(jìn)氣格柵;汽車的車底簡化為光滑曲面;去除車身的細(xì)小部件，如車門手柄，雨刮器等;車身細(xì)小縫隙用光滑曲面填平;車輪用簡單圓柱體來替代，并在輪胎與地面接觸的地方建立臺(tái)階，以此模仿輪胎承重變形，防止輪胎面與地面的網(wǎng)格距離過近而無法生成正確的邊界層[2]。

進(jìn)行車身外流場分析時(shí)，需要在汽車車身外面建立一個(gè)模擬風(fēng)洞，通常模擬風(fēng)洞模型為長方體，風(fēng)洞頂部距車頂為3倍車高，側(cè)壁距車身3倍車寬，氣流入口距車頭3倍車長，氣流出口距車尾6倍車長.風(fēng)洞尺寸取長44.3m，寬6.174m，高5.64m，并且將壁面與車身相交處進(jìn)行分割處理。

2.2車身風(fēng)洞的建立

有將風(fēng)洞3D模型導(dǎo)入到ANSYS中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，汽車車身外面的空氣即風(fēng)洞和車身之間部分的體積需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分.本文將車身模型分為前臉、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、前窗及車頂、后窗、側(cè)窗、行李箱頂面、車身和輪胎、車尾和后視鏡等9個(gè)部分，并根據(jù)各個(gè)部分的最小特征尺寸來構(gòu)建面網(wǎng)格.然后進(jìn)行邊界層網(wǎng)格拉伸與體網(wǎng)格填充，車身表面邊界層網(wǎng)格設(shè)置為4層，初始層厚度設(shè)置為0.2 mm，增長率設(shè)為1.2，然后進(jìn)行體網(wǎng)格填充，最后得到整體網(wǎng)格數(shù)量為1346227?

3 汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)對氣動(dòng)力的影響分析

根據(jù)上述分析，汽車車身的主要承壓地方為前臉、后視鏡、發(fā)動(dòng)機(jī)罩與前窗相交處和后窗與行李箱頂面相交處，3個(gè)主要渦流區(qū)分別位于發(fā)動(dòng)機(jī)罩與前窗相交處、后窗與行李箱頂面相交處和車尾后部.其中，后視鏡作為汽車配件不便于修改，而其余8個(gè)特征地方都可以作為車身造型的優(yōu)化方向。

特征優(yōu)化需要保證汽車的總布置不受到影響，并且基本造型不發(fā)生變化.因此，只對分析的8個(gè)特征進(jìn)行小范圍的修改來進(jìn)行分析優(yōu)化.本次分析為單因素分析，分別對各個(gè)特征尺寸進(jìn)行上下調(diào)整，然后進(jìn)行仿真分析，共計(jì)需要進(jìn)行16次仿真.為了方便統(tǒng)計(jì)，給各特征進(jìn)行編號.各個(gè)特征尺寸的編號及其變化量見表3[5]。

根據(jù)表3的特征變化量，對二維模型進(jìn)行修改，將其導(dǎo)入Fluent進(jìn)行仿真運(yùn)算，求解參數(shù)得到氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力的仿真結(jié)果。

4、優(yōu)化前后的對比分析

將優(yōu)化后的車身模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，導(dǎo)入Fluent進(jìn)行仿真運(yùn)算，邊界條件和求解參數(shù)與原始模型相同，得到仿真結(jié)果。

可以看出，該汽車車身的主要承壓地方為前臉、后視鏡、發(fā)動(dòng)機(jī)罩與前窗相交處和后窗與行李箱頂面相交處.這有可能是因?yàn)闅饬髟谶\(yùn)動(dòng)中遇到了突出的阻擋物，運(yùn)動(dòng)方向突然改變所導(dǎo)致.對于車身的優(yōu)化可以從這些方面改進(jìn)。

氣流在汽車前臉處分離成兩部分，上部氣流經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)罩，在轉(zhuǎn)向前窗時(shí)受到阻力影響降低速度形成分離區(qū)，然后在發(fā)動(dòng)機(jī)罩與前窗交點(diǎn)上方結(jié)合并流向車頂.此時(shí)，氣流流速達(dá)到最大值.氣流在后窗渡到行李箱頂面時(shí)再次分離，形成低速分離區(qū)，然后流過車尾并與車身分離，在車尾后部形成最大渦流.而下部氣流經(jīng)過汽車底盤在車尾處與汽車分離。

降低氣動(dòng)升力系數(shù)的方案有增加車頭底部斜度、減少車身前窗傾角、減少車身后窗傾角、升高行李箱高度、增加車尾底部斜度、增加或減少車身頂部圓角上撓系數(shù)和增加或減少離地間隙等，其中，最有效的優(yōu)化方案為增加車尾底部斜度。

通過仿真可知，為提高車身的動(dòng)力性能，可在降低氣動(dòng)阻力系數(shù)的同時(shí)降低氣動(dòng)升力系數(shù)，并采用增加車頭底部斜度、增加車尾底部斜度、增加車身頂部圓角上撓系數(shù)和增加離地間隙的方案.但是增加離地間隙會(huì)減少汽車內(nèi)部空間，降低駕駛員與乘客的舒適度，因此汽車車身最后的優(yōu)化方案選擇為增加車頭底部斜度、增加車尾底部斜度、增加車身頂部圓角上撓系數(shù)。

結(jié)束語

本文基于空氣動(dòng)力學(xué)對汽車車身造型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì).首先，通過車身和風(fēng)洞的三維模型，利用Fluent求解器對原始車身模型以及局部特征修改模型進(jìn)行了模擬仿真，找出原始車身模型的氣動(dòng)造型優(yōu)化方案，即車頭底部斜度5°、車尾底部斜度為11°和車身頂部撓度系數(shù)為0.028.將優(yōu)化模型與原始模型做氣動(dòng)性比較，優(yōu)化模型的氣動(dòng)阻力系數(shù)下降了1.83%，氣動(dòng)升力系數(shù)下降了12.8919%。

參考文獻(xiàn)

[1]基于流場分析的低速電動(dòng)汽車車身優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].霍倩，馬志凱，趙曉順，趙樹朋.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程.2017（04）

[2]轎車車身空氣動(dòng)力穩(wěn)定性分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].田原嫄，洪海涵.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車.2015（01）