基于整車(chē)風(fēng)阻優(yōu)化與導(dǎo)流罩開(kāi)發(fā)的仿真研究

張錦宙 馬志強(qiáng)

摘 要：本文主要以某重型帶掛卡車(chē)導(dǎo)流罩開(kāi)發(fā)為例，通過(guò)對(duì)重型帶掛卡車(chē)在配不同外形和尺寸導(dǎo)流罩的三維數(shù)據(jù)建立分析模型，隨后對(duì)各模型的流場(chǎng)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再導(dǎo)入Fluent進(jìn)行仿真計(jì)算，通過(guò)對(duì)比不同導(dǎo)流罩外形和尺寸的分析模型在流場(chǎng)中對(duì)整車(chē)的風(fēng)阻系數(shù)影響，帥選出最佳空氣動(dòng)力學(xué)性能的導(dǎo)流罩分析模型，然后從分析模型中提取出導(dǎo)流罩的網(wǎng)格面，通過(guò)后期對(duì)網(wǎng)格面的3D擬合處理，從而得到具有最優(yōu)空氣動(dòng)力學(xué)性能的導(dǎo)流罩外形尺寸和布置位置。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)流罩;開(kāi)發(fā);仿真;結(jié)構(gòu);位置

1 引言

一直以來(lái)卡車(chē)導(dǎo)流罩在減小整車(chē)風(fēng)阻方面起著舉足輕重的作用，隨著現(xiàn)代卡車(chē)技術(shù)的發(fā)展，卡車(chē)導(dǎo)流罩越來(lái)越趨于與整車(chē)流線匹配，導(dǎo)流罩在降低整車(chē)風(fēng)阻方面起著關(guān)鍵作用;主要在于在卡車(chē)在行駛過(guò)程中會(huì)產(chǎn)較大生風(fēng)阻，行駛速度越高，整車(chē)風(fēng)阻越大。風(fēng)阻對(duì)卡車(chē)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性起到相反作用，由此常年累月運(yùn)營(yíng)下來(lái)對(duì)用戶造成額外的燃油消耗費(fèi)用十分龐大;因此在這種需求之下，如何保證所開(kāi)發(fā)的導(dǎo)流罩在駕駛室上布置位置、外形和尺寸與整車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)性能匹配達(dá)到最佳狀態(tài);導(dǎo)流罩CFD分析模型的建立、仿真優(yōu)化和對(duì)比分析顯得尤為重要。所以開(kāi)展導(dǎo)流罩的仿真優(yōu)化研究工作對(duì)減小整車(chē)風(fēng)阻、降低整車(chē)油耗方面意義重大。

2 分析對(duì)象模型建立

2.1 仿真邊界條件定義：

重型半掛卡車(chē)，掛車(chē)伸出鞍座1.2米，半掛距駕駛室1.77米、寬2.55米、長(zhǎng)13米，見(jiàn)圖1。

2.2 仿真工況定義：

正風(fēng)工況和側(cè)風(fēng)工況，風(fēng)速按V=90km/h;

2.3 建立流場(chǎng)計(jì)算域模型：

外流場(chǎng)尺寸為長(zhǎng)×寬×高=130m× 15m×21m，網(wǎng)格3200萬(wàn)（最理想的風(fēng)洞模型為：車(chē)身前方5倍車(chē)長(zhǎng)，車(chē)身上方5倍車(chē)高，車(chē)身側(cè)面5倍車(chē)寬，車(chē)身后方10倍車(chē)長(zhǎng)）

2.4 網(wǎng)格劃分

在Hypermesh中對(duì)模型計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見(jiàn)圖4

2.5 仿真邊界設(shè)置，見(jiàn)表1

3 仿真模型導(dǎo)流罩CAS方案策劃示意（圖5）

4 仿真分析過(guò)程及結(jié)果

仿真分析過(guò)程中需在所策劃的仿真模型方案導(dǎo)流罩CAS基礎(chǔ)上根據(jù)分析結(jié)果對(duì)導(dǎo)流罩型面進(jìn)行多次調(diào)整和反復(fù)校核網(wǎng)格，并經(jīng)對(duì)比最終獲得最優(yōu)化的仿真模型;

4.1 不同方案仿真分析風(fēng)速云圖對(duì)比，見(jiàn)圖6：

4.2 不同方案仿真分析壓力云圖對(duì)比，見(jiàn)圖7：

4.3 不同方案仿真分析計(jì)算結(jié)果對(duì)比，見(jiàn)表2：

根據(jù)分析結(jié)果可知：當(dāng)頂導(dǎo)流罩前端往駕駛室前部延伸，兩側(cè)壓低情況下，整車(chē)風(fēng)阻最小，相對(duì)原未優(yōu)化之前狀態(tài)，整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)可降低約6.84%。

5 仿真分析網(wǎng)格面擬合導(dǎo)流罩3D數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)以上各方按的仿真分析對(duì)比，方案序號(hào)6中的仿真結(jié)果最優(yōu)，整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)降低比例達(dá)標(biāo)。然后采用Hypermesh提取仿真分析中的所用的網(wǎng)格模型數(shù)據(jù)，并用CATIA等三維軟件進(jìn)行參數(shù)化，從中擬合出最終所需導(dǎo)流罩的3D數(shù)據(jù)，為最終的工程化結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，見(jiàn)圖8。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）本文通過(guò)某重型帶掛卡車(chē)導(dǎo)流罩與整車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)性能之間的關(guān)系，經(jīng)過(guò)對(duì)前期策劃的各導(dǎo)流罩CAS方案的仿真分析，并在此基礎(chǔ)上反復(fù)調(diào)整和計(jì)算得出最優(yōu)空氣動(dòng)力學(xué)性能的仿真模型，然后從最優(yōu)的仿真模型中提取出導(dǎo)流罩網(wǎng)格面，通過(guò)對(duì)網(wǎng)格面的擬合確定出要開(kāi)發(fā)的導(dǎo)流罩空間布置位置、外形尺寸及最終CAS面，然后再進(jìn)行工程化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

（2）本問(wèn)旨在闡述一種導(dǎo)流罩開(kāi)發(fā)從仿真分析、分析模型、網(wǎng)格擬合到最終CAS數(shù)據(jù)確定的過(guò)程，一定程度上為汽車(chē)導(dǎo)流罩的開(kāi)發(fā)在確定導(dǎo)流罩布置位置、外形尺寸和外觀型面上提供了理論依據(jù)和參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊維和. 汽車(chē)構(gòu)造[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2]張英朝.汽車(chē)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù).北京.北京大學(xué)出版社，2011.

[3]谷正氣.汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué).北京.人民變通出版社，2005.

[4]周一鳴，毛恩榮.車(chē)輛人機(jī)工程學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1999.