基于一種新型模具的節(jié)能車車身的設(shè)計(jì)分析與制作＊

莊劍威，陳瑞欣，黃文杰，陳慶尚，梁觀豪

（肇慶學(xué)院，廣東 肇慶 526061）

前言

隨著我國汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，中國汽車產(chǎn)銷量已經(jīng)連續(xù)多年雄踞世界第一。數(shù)以億計(jì)的汽車行駛在我國的東南西北，推動(dòng)著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展與繁榮富強(qiáng)。汽車的行駛造成大量碳排放，在強(qiáng)調(diào)“綠水青山就是金山銀山“的時(shí)代背景下，由本田汽車公司舉辦的”HONDA中國節(jié)能競(jìng)技大賽“成為越來越多大學(xué)生們探尋節(jié)能極致，倡導(dǎo)綠色發(fā)展的重要平臺(tái)[1]。

作為節(jié)能車的重要組成部分—車身的設(shè)計(jì)制造一直是節(jié)能賽車的核心重難點(diǎn)之一。好的車身能夠有效地減小行駛風(fēng)阻與提供車手一個(gè)良好的駕駛環(huán)境，設(shè)計(jì)不佳或者工藝不足則可能會(huì)適得其反。車身的設(shè)計(jì)制造過程中，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和金錢，對(duì)于許多學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)來說，這是一個(gè)不小的考驗(yàn)。本文以肇慶學(xué)院節(jié)能車隊(duì)三代節(jié)能車研發(fā)，五種車身的設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，介紹在最有限的經(jīng)費(fèi)內(nèi)完成對(duì)車身的最優(yōu)設(shè)計(jì)和最小誤差的制造方式。

1 車身設(shè)計(jì)與分析

1.1 理論設(shè)計(jì)

氣動(dòng)阻力是影響節(jié)能車的節(jié)能性能的重要因素。由空氣動(dòng)力學(xué)的基本理論可知，設(shè)計(jì)一臺(tái)低阻力的節(jié)能車可以從降低迎風(fēng)面積和降低氣動(dòng)阻力系數(shù)這兩個(gè)方面開始進(jìn)行。

降低節(jié)能車迎風(fēng)面積，則需要盡可能地減少車身正面投影形狀的寬度和高度。以目前賽場(chǎng)上流行的倒三輪布局的節(jié)能車為例，在前輪被包圍在車身內(nèi)的情況之下，影響迎風(fēng)面積最大的因素在前輪輪距、前輪輪輞的大小和車手的駕駛姿勢(shì)。對(duì)于倒三輪布局的節(jié)能車，其車身最寬處出現(xiàn)在前軸所在的位置，在保證節(jié)能車有足夠的轉(zhuǎn)向角以及車手有足夠的腿部空間的前提下，應(yīng)盡可能地縮短前軸輪距，以降低車身的寬度；選用較小尺寸的前輪可降低車身兩側(cè)的高度；車身的最高點(diǎn)出現(xiàn)在車手頭部的上方，車手的駕駛姿勢(shì)越接近于平躺，車身的高度則越低。

降低氣動(dòng)阻力系數(shù)的設(shè)計(jì)，在汽車空氣動(dòng)力學(xué)的理論上，氣動(dòng)阻力系數(shù)是一個(gè)與車身外形形狀有關(guān)，與形狀大小和來流速度無關(guān)的無量綱數(shù)。優(yōu)化車身形狀的設(shè)計(jì)是降低氣動(dòng)阻力系數(shù)的關(guān)鍵所在。低氣動(dòng)阻力系數(shù)的節(jié)能車車身具有以下特點(diǎn)：全車身采用流線型化的“鈍體”設(shè)計(jì)；底盤平整，表面光滑且無突出；上下車身接合處縫隙小、車輪封閉在車身內(nèi)且左右對(duì)稱等[2]。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

首先在 Catia零件設(shè)計(jì)模塊，完成對(duì)車架、車輪、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等能對(duì)車身尺寸產(chǎn)生影響的結(jié)構(gòu)的建模。車架的關(guān)鍵尺寸如表1所示。其次，將車手的資料導(dǎo)入人機(jī)工程模塊中并根據(jù)實(shí)際的駕駛姿勢(shì)調(diào)整車手模型的動(dòng)作姿態(tài)，從而建立了底盤-車手模型。待建立底盤-車手模型后，使用Freestyle模塊繪制出的帶有一定曲率、符合空氣動(dòng)力學(xué)要求且盡量減小表面積的車身外形，最終組成底盤-車手-車身模型。如圖 1所示：

表1 肇慶學(xué)院2019年節(jié)能車底盤參數(shù)（單位：mm）

圖1 底盤-車手-車身模型

對(duì)于前擋風(fēng)的設(shè)計(jì)，首先通過人機(jī)工程導(dǎo)入車手體位數(shù)據(jù)和駕駛姿勢(shì)得到相關(guān)數(shù)據(jù)后，結(jié)合規(guī)則要求的至少要保證車手前方有90度的可視范圍，完成前擋風(fēng)的設(shè)計(jì)。對(duì)于側(cè)窗的設(shè)計(jì)，應(yīng)避免與車身線條相接，滿足后視鏡的使用與方便從外側(cè)觀察駕駛員和發(fā)動(dòng)機(jī)艙的狀態(tài)。

圖2 通過Catia分析車手視野范圍

根據(jù)車架尺寸和空氣動(dòng)力學(xué)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的車身基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 肇慶學(xué)院2019年節(jié)能車車身參數(shù)

出于安全、輕量化與加工便利性的考慮，大部分賽車的前擋風(fēng)和側(cè)窗使用透光性較好、不易脆、易成形的PVC材料制成。但是PVC材料得耐熱性較差，維卡軟化溫度僅為72°-82°，過薄的PVC作為擋風(fēng)和側(cè)窗的材料會(huì)在賽車日常的日曬中嚴(yán)重變形。通過查閱資料，備選用0.5mm厚的PVC作為擋風(fēng)和側(cè)窗的材料[3]。

選用透光率約為24%、紅外線阻隔率約為84%、紫外線阻隔率約為 99%的單向透視膜對(duì)車身的擋風(fēng)和側(cè)窗進(jìn)行貼膜，一方面可以減輕駕駛員的負(fù)擔(dān)，另一方面可以防止在發(fā)生事故時(shí)破碎的擋風(fēng)和側(cè)窗對(duì)駕駛員造成傷害[4]。

1.3 車身外流場(chǎng)分析

在賽車外部建立一個(gè)計(jì)算域，計(jì)算域的入口長度為整車長度的2.5倍，出口長度約為整車長度6倍，左右寬度為整車寬度3倍，高度約為整車高度5倍[5]。為了更好地模擬賽車周邊的空氣流動(dòng)狀況，在車身周圍的區(qū)域創(chuàng)建網(wǎng)格加密區(qū)。

在進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真前，首先需要對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于 FLUENT對(duì)于網(wǎng)格質(zhì)量要求較高，故使用 Hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本次分析研究的內(nèi)容是賽車表面壓力和周邊的氣流狀況，所以整個(gè)模型的網(wǎng)格區(qū)域應(yīng)分為三部分，一是賽車表面網(wǎng)格控制在20mm上下、最大網(wǎng)格不超過25mm，二是對(duì)于加密區(qū)域的網(wǎng)格應(yīng)控制在50mm左右，三是其余的計(jì)算域網(wǎng)格設(shè)置為200mm，最終劃分出200萬個(gè)的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。待進(jìn)行網(wǎng)格檢查后發(fā)現(xiàn)整體情況良好，車身表面也生成了較為細(xì)密的邊界層。

賽車在行駛過程中的設(shè)計(jì)平均速度是7.5m/s。在有限元分析中出口條件設(shè)置成壓力出口，將地面條件設(shè)置成可移動(dòng)，其余面均為固定壁面。

由于賽車設(shè)計(jì)的平均時(shí)速不高，可以把空氣介質(zhì)看成不可壓縮氣體，采用RNGk-ε湍流模型以及基于速度壓力耦合的SIMPLE半隱式迭代算法，其他部分改為二階算法[6]。選擇StandardInitialization對(duì)入口進(jìn)行初始化，經(jīng)過1000步的計(jì)算，模型分析結(jié)果如下。

圖3 側(cè)視流線圖

由圖3 側(cè)視流線圖可知，當(dāng)空氣流經(jīng)車體時(shí)，氣流與車體表面的貼合性較好，并沒有出現(xiàn)失速現(xiàn)象或者是明顯的負(fù)壓區(qū)，氣流可以順利地從車身頭部流到車身尾部，符合汽車空氣動(dòng)力學(xué)的要求。

在距離地面 200mm處建立一個(gè)截面，以觀察到賽車周圍的氣流。觀察分析結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，氣流經(jīng)過車頭時(shí)大多數(shù)都被導(dǎo)向兩邊，所以流線型的車頭對(duì)氣流沒有造成過多阻滯。如圖4所示，雖然賽車流線最寬出現(xiàn)在前車輪處并逐漸向后收縮，但由于理論設(shè)計(jì)最高時(shí)速并不高，所以在車身兩側(cè)沒有出現(xiàn)失速現(xiàn)象。

由圖5可知，賽車的理論風(fēng)阻系數(shù)為0.13，遠(yuǎn)低于民用車0.3-0.5的阻力系數(shù)水平。低風(fēng)阻的特性，可以減少為克服風(fēng)阻所消耗的燃油，以達(dá)到節(jié)能的效果。

圖4 俯視流線圖

圖5 風(fēng)阻系數(shù)圖

1.4 前擋風(fēng)強(qiáng)度分析

將車身前擋風(fēng)的相關(guān)信息（如表3示）代入車身的氣動(dòng)阻力表達(dá)式可算得車身在行駛時(shí)受到的阻力的大小.再加上PVC材料自身的重力后再ANSYS中進(jìn)行仿真分析。

表3 前擋風(fēng)的相關(guān)信息

由公式m=ρV，可得m=0.38318KG。

在ANSYS分析中，在添加PVC材料后，選擇自動(dòng)網(wǎng)格劃分方式對(duì)車身進(jìn)行網(wǎng)格劃分，控制網(wǎng)格的質(zhì)量在0.72以上為宜[7]。選擇前擋風(fēng)的邊界施加固定約束，約束前擋風(fēng)的所有位移與旋轉(zhuǎn)。將重力m與力 Fx作為載荷添加至前擋風(fēng)后進(jìn)行求解。

經(jīng)過分析，得到了前擋風(fēng) PVC板的受力情況和形變情況。根據(jù)圖 6的分析結(jié)果，可看出前擋風(fēng)只承受最大為296.92pa的壓力不會(huì)對(duì)前擋風(fēng)造成破壞。根據(jù)圖7所示的分析結(jié)果，可看出前擋風(fēng)只承受最大為2.3683e-7m的微小形變，不影響前擋風(fēng)的使用效果。

由于側(cè)窗的迎風(fēng)面與表面積都比前擋風(fēng)小得多，且傾角更小，當(dāng)材料符合前擋風(fēng)的使用要求時(shí)也必然符合側(cè)窗的使用要求。故0.5mm厚的PVC板符合前擋風(fēng)和側(cè)窗的使用要求。

圖6 賽車行駛過程中的前擋風(fēng)的應(yīng)力云圖

圖7 賽車行駛過程中的前擋風(fēng)的形變?cè)茍D

2 魚骨板模具制車身的優(yōu)點(diǎn)與流程

2.1 魚骨板模具的優(yōu)點(diǎn)

無論從資金預(yù)算、模具質(zhì)量或者是從時(shí)效性等來看，以中纖板為骨架的魚骨板法都有極高的性價(jià)比，具體表現(xiàn)在如下幾點(diǎn)：

①穩(wěn)定性更好?？紤]到大多數(shù)車隊(duì)的加工環(huán)境較為艱辛，且實(shí)驗(yàn)室的酷熱，魚骨板模具不存在泡沫板之間的縮脹與老化問題；

②受力不易變形。普通的泡沫模具在搬運(yùn)過程或在后期抽真空中的不當(dāng)操作極易對(duì)模具造成破壞，輕則處理表面出現(xiàn)細(xì)紋重則易產(chǎn)生破裂；

③精確度更高。在骨架制作過程中，空間交錯(cuò)的中纖板的每一個(gè)卡口都有唯一對(duì)應(yīng)的空間坐標(biāo)，拼裝簡單且非常精準(zhǔn)，理論整體誤差僅為0.5至2mm；

④中纖板、聚氨酯發(fā)泡劑、玻璃纖維、原子灰等都是價(jià)廉易取的材料，存儲(chǔ)簡單。

由表4和圖8可知，對(duì)比肇慶學(xué)院上一代節(jié)能車堆疊泡沫法車身模具制造的設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際參數(shù)，魚骨板法比泡沫堆疊法在各類尺寸上的誤差率都更低。（理論尺寸為Catia模型尺寸，實(shí)際尺寸為經(jīng)過脫模后的車身尺寸，長度單位為mm，面積單位為m2）。

表4 兩種制作方法的尺寸數(shù)據(jù)

圖8 兩種制作結(jié)果的誤差率比較

2.2 魚骨板模具制作流程

肇慶學(xué)院節(jié)能車隊(duì)受榫卯結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，率先使用魚骨板法制作車身模具。即以9mm厚的中纖板為材料，以三維坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，將整個(gè)模具用三個(gè)不同平面以積分的形式組合而成，

魚骨板法模具的制作由以下幾個(gè)步驟組成：

①Catia中進(jìn)入創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)模塊，使用封閉曲面命令把車身外形填充成實(shí)體曲面，使用激光切割雕刻機(jī)分割每一塊板材；

②X面、Y面、Z面的板材互相嵌套，在每一個(gè)卡口處使用排釘加固，如圖9所示。外表面由無蓋殼體并列組合后填補(bǔ)發(fā)泡劑使形成表面；

圖9 魚骨板拼接成型后的上下模具

③在由中纖板和聚氨酯發(fā)泡劑組成的外表面上覆蓋一層玻璃纖維以加固表面；

③由原子灰對(duì)模具缺陷處進(jìn)行填補(bǔ)后先用小目數(shù)砂紙?jiān)儆么竽繑?shù)砂紙對(duì)外形進(jìn)行打磨，最終形成模具外表面。

2.3 車身制作流程

①先將模具成型面進(jìn)行清理，再在模具上涂刷四至五層脫模蠟[8]。

②對(duì)碳纖維布的編織經(jīng)行梳理，并在剪切處貼上美紋紙以防止出現(xiàn)拉絲。

③對(duì)于主要承重的車身底板則需要準(zhǔn)備一層與底面造型一直的強(qiáng)芯氈以加強(qiáng)支撐作用。

④將雙組份環(huán)氧樹脂YT-CC301以3：1的比例進(jìn)行混合，確?；旌暇鶆蚝笤诃h(huán)境溫度 25攝氏度時(shí)粘度在 500-600m Pa.s并留有15-25min操作時(shí)間。

⑤車身成型時(shí)首先將剪裁好的第一層碳纖維布鋪在模具表面，使用刷子和壓輥在碳纖維布表面刷上環(huán)氧樹脂。在環(huán)氧樹脂浸漬并排除氣泡后鋪上第二層碳纖維布（第一二層碳布的紋路應(yīng)呈交叉狀）后重復(fù)刷環(huán)氧樹脂的步驟即可。

⑥待靜置24小時(shí)環(huán)氧樹脂固化后，車身便已成型。在車身脫模后，對(duì)于有缺陷的表面使用原子灰進(jìn)行修補(bǔ)，再由目數(shù)從小至大的砂紙分別打磨至光滑即可。

⑦在全部缺陷修補(bǔ)完畢后，采用方向統(tǒng)一、寬度一致和多層噴涂的噴漆方式噴涂油漆。再將前擋風(fēng)與側(cè)窗粘在車身上，使用熱熔膠與玻璃膠填補(bǔ)縫隙后即代表著整個(gè)車身的完工。

3 結(jié)論

根據(jù)主流節(jié)能賽車車身模型，使用 CATIA建模。導(dǎo)入FLUENT進(jìn)行車身外部流場(chǎng)分析，包括模型處理、網(wǎng)格劃分、計(jì)算及后處理等，不僅節(jié)約車身研發(fā)成本，同時(shí)降低了車輛運(yùn)動(dòng)過程消耗的能量，從而得到空氣動(dòng)力性能較為滿意的車身。使用ANSYS進(jìn)行前擋風(fēng)的強(qiáng)度分析，確定所選PVC板符合前擋風(fēng)以及側(cè)窗使用要求。在此基礎(chǔ)上，率先使用魚骨板法制作車身模具，從而在保證一定精度下達(dá)到節(jié)約制作成本的目的。