車頂行李架加載裝置的氣動力分析與試驗

劉振東 彭濤 程佳勇 楊國慶

摘 要：為了使車頂行李架的加載功能滿足客戶需求，需要在整車耐久試驗過程中對其進(jìn)行加載，驗證其可靠性。文中選用兩種加載裝置對車頂行李架進(jìn)行加載，利用ANSYS軟件對兩種裝置在不同車速的氣動阻力和氣動升力進(jìn)行分析;并以某SUV車型為研究對象，試驗驗證兩種裝置的可靠性和潛在失效模式。結(jié)果表明，車頂行李框更適合用于車頂行李架的耐久加載試驗，為車頂行李架的加載試驗提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：車頂行李架;加載裝置;耐久試驗;氣動阻力;氣動升力;失效模式

中圖分類號：U467.3 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）05-133-03

Abstract： In order to make the function of roof rack to meet the customer needs， it is necessary to be ballast on roof rack during the durability test and verified its reliability. Two loading devices are select to ballast on the roof rack， using ANSYS to analyze the aerodynamic drag and lift of the two devices at different vehicle speed. Take a SUV model as the research object， validated the reliability and potential failure modes of both devices. The research results provided the roof luggage frame is more suitable for the durability test of the roof rack ballast. It provides guidance for the vehicle ballast on roof rack.

Keywords： Roof rack; Ballast device; Durability test; Aerodynamic drag; Aerodynamic lift; Failure modes

引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，越來越多的家庭擁有了汽車，有限的車內(nèi)空間已無法滿足用戶需求，慢慢開始通過一些附加的設(shè)備來提高車輛的運載能力。因此，越來越多的車主開始在車頂行李架上安裝加載裝置，為汽車擴展出更大的“空間”，因此需要在耐久試驗中對車頂行李架進(jìn)行加載，對設(shè)計的可靠性和安全性進(jìn)行試驗驗證。

車頂行李架上安裝加載裝置，這一結(jié)構(gòu)上的變化對汽車的空氣動力性能將產(chǎn)生很大的影響。國內(nèi)外對汽車的空氣動力特性的研究已經(jīng)有了一些成果，文獻(xiàn)[1]對九種汽車模型的外流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了每種模型的氣動阻力和升力。文獻(xiàn)[2]分析了不同行李架剖面形狀對直背式轎車外流場的影響。但是對行李架的加載裝置的空氣動力特性的研究文獻(xiàn)還很少。本文將選用車頂行李箱和車頂行李框兩種裝置，在不同車速下的受力進(jìn)行仿真分析;試驗驗證并總結(jié)了加載裝置的潛在失效模式。

1 控制方程及模型選擇

1.1 控制方程

通常狀態(tài)下，汽車的行駛速度均低于200km/h，遠(yuǎn)小于0.3倍聲速，空氣密度變化極小，因此汽車頂部車頂行李架加載裝置周圍的空氣流動可按不可壓縮處理?？偨Y(jié)國內(nèi)外對汽車外部流場的計算仿真經(jīng)驗，假設(shè)流動是定常的，空氣介質(zhì)的物性參數(shù)恒為常數(shù)，加載裝置的周圍空氣流動處于湍流狀態(tài)[3]。所用數(shù)學(xué)模型為描述流體運動基本規(guī)律的質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律、動量守恒定律和湍流模型。時均形式的流動控制方程組如下[2]：

由于方程中多出了與脈動量有關(guān)的項（Reynolds應(yīng)力），需要對Reynolds應(yīng)力作出某種假定，即引入新的湍流模型來封閉方程組，本文采用渦粘模型中的RNG k-ε兩方程模型[3]。

擴散項采用中心差分進(jìn)行離散，對流項采用精度較高的QUICK格式進(jìn)行離散，方程求解算法采用SMPISO算法。

1.2 氣動阻力與氣動升力

汽車氣動阻力直接影響汽車的動力性和燃油經(jīng)濟性[4]。氣動阻力的方向與汽車運動方向相反。汽車氣動升力直接影響汽車的操作穩(wěn)定性和動力性，同時也間接地影響燃油經(jīng)濟性[4]。過高的氣動升力使輪胎與地面之間的附著力不足，高速行駛時出現(xiàn)“發(fā)飄”現(xiàn)象，引起轉(zhuǎn)向過大，容易導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。而過高的氣動負(fù)升力則會加大輪胎與地面之間的摩擦，增大油耗。氣動升力的方向為路面垂直向上。氣動阻力和氣動升力的表達(dá)式分別為[4]：

1.3 模型選擇

本文選用客戶常用的兩種加載裝置作為研究對象，分別是車頂行李箱和車頂行李框。為了提高計算效率和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本文的計算模型參考實際尺寸，按1：1的比例進(jìn)行建模，對模型實體表面及內(nèi)部的凹凸作平滑處理。行李箱的外形長度1488mm，寬度1000mm，高度380mm，如圖1所示;行李框的外形長度1620mm，寬度1060mm，高度90mm，如圖2所示。

2 網(wǎng)格劃分與計算域選取

2.1 網(wǎng)格劃分

本文進(jìn)行網(wǎng)格畫分時采用混合網(wǎng)格劃分的方法，混合網(wǎng)格是目前運用比較普遍的、比較理想的方法，它充分發(fā)揮了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計算精度高和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格貼體性好的優(yōu)點，已經(jīng)成為目前比較常用的網(wǎng)格處理方法。本文模型的網(wǎng)格為四面體與六面體混合的方案。如圖3和4所示。行李箱的模型較大，網(wǎng)格數(shù)約為100萬個;行李框的網(wǎng)格數(shù)約為200萬個。

2.2 計算域選擇

為使來流均勻穩(wěn)定，來流進(jìn)口應(yīng)距模型前部一定距離，而為了使汽車尾流充分發(fā)展，模型尾部距出口應(yīng)保持適當(dāng)?shù)木嚯x，以避免在計算過程中因計算區(qū)域過小產(chǎn)生回流。在仿真時，一般設(shè)置流場入口到模型前部的距離為模型長度的3倍，流場出口到模型后部的距離為模型長度的6倍。流場寬度一般設(shè)置為模型寬度的8倍，流場的高度則設(shè)置為模型高度的5倍。從而滿足阻塞率的要求，較小的阻塞率可以減小阻塞效應(yīng)對流場的影響，一般要控制在5%以下。為了減小對比誤差，同時滿足阻塞率要求，將流場大小設(shè)置合適并且一樣。設(shè)置流場的長度16m，寬度8m，高度3.6m。同時為了讓模型周圍的流場特征更充分的展開，模型離地間隙設(shè)置為1.6m，從而阻塞率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于5%，在這樣的計算域中計算模型的氣動阻力和氣動升力的結(jié)果更準(zhǔn)確。

3 仿真結(jié)果與分析

整車耐久試驗中的車速范圍為0～200km/h，本文對模型在8種車速下的氣動阻力和氣動升力進(jìn)行了計算，車速分別為40km/h，60km/h，80km/h，100km/h，120km/h，140km/h，160km/h，180km/h，計算結(jié)果見表1和圖5。

由表1及圖5可知：①行李箱和行李架的氣動阻力隨著車速的增大而增大;②行李箱的氣動升力隨著車速的增大而增大;③行李架的氣動升力為負(fù)值，與方向垂直于地面，隨著車速的增大而增大。加裝行李箱的汽車，車速越大，氣動升力越大，操控性和穩(wěn)定性越差，安全性越差，越容易“發(fā)飄”;加裝行李架的汽車，車速越大，反方向的氣動升力越大，

操控性和穩(wěn)定性越好，安全性越好。

4 試驗應(yīng)用

以某SUV車型為研究對象，在耐久試驗中考核車頂行李架的設(shè)計可靠性，使用行李箱和行李框加裝在車頂行李架的橫梁上。試驗前將載荷均勻分布在行李架橫梁之間，并用附屬綁帶對載荷進(jìn)行固定。經(jīng)過一段時間的耐久試驗后，行李箱或行李框附屬零部件出現(xiàn)損壞失效的問題，例如：高速規(guī)范中行李箱蓋因氣動升力被掀起;制動規(guī)范中導(dǎo)致載荷前移損壞行李箱;加載裝置的固定卡箍有潛在失效斷裂的可能;行李框卡箍安裝點腐蝕失效，車頂行李架失效，橫梁固定螺栓松脫。

為了防止行車時損壞，檢查并確保橫梁和貨物牢牢緊固。車頂行李架上的貨物將提升車輛重心，客戶應(yīng)避免高速行駛、突然起動、急速轉(zhuǎn)向、突然制動或激烈駕駛等操作，否則將導(dǎo)致車輛失控。如果在崎嶇道路上遠(yuǎn)距離行駛或高速行駛，則要不時停車檢查以確保貨物依然在原位，相關(guān)緊固件未出現(xiàn)松動、脫落等問題。

5 結(jié)束語

本文對車頂行李架的兩種加載裝置進(jìn)行了氣動力仿真計算，結(jié)果表明加裝行李箱的車輛在高速中容易“發(fā)飄”，行駛安全性降低;加裝行李框的車輛操控性和穩(wěn)定性更好，安全性較高。試驗結(jié)果也表明行李箱在試驗中更容易損壞，安全性較低。因此，行李框更適合用于耐久試驗車頂行李架的加載試驗。本文的研究結(jié)果為整車耐久試驗的車頂行李架加載提供了指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

[1] Robert Lietz and William Pien.A CFD Validation Study for Auto -motive Aerodynamics[A].SAE 2000 World Congress [C]， Detroit， Michgen， USA， 2001.

[2] 康寧，李廣輝.行李架形狀對直背式轎車外流場影響的研究[J].車輛與動力技術(shù)，2008，（3），15-19.

[3] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[4] 谷正氣.汽車空氣動力學(xué)[M].北京：人民交通出版社，2005.