基于風(fēng)洞模型和壓力分布云圖的汽車底盤后半部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

宋曉雯

（雅安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 雅安 625000）

引言

傳統(tǒng)的汽車底盤后半部分由轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)組成，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)調(diào)查得出，每當(dāng)汽車的行駛速度超過100 km/h 的時(shí)候，80%的傳統(tǒng)底盤結(jié)構(gòu)汽車受到極大的阻力，影響汽車的運(yùn)行速度和體驗(yàn)[1-2]。

為解決以上問題，本文建立汽車底盤后半部結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型，進(jìn)行汽車外流場數(shù)值分析，然后建立參數(shù)化有限元模型，最后依據(jù)壓力分布云圖對汽車底盤半結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。依據(jù)汽車外形的結(jié)構(gòu)和尺寸特點(diǎn)，建立風(fēng)洞模型和壓力分布云圖，分析汽車底盤懸梁結(jié)構(gòu)，改善汽車底盤的堅(jiān)固性和抗阻性能，使汽車的運(yùn)行過程中能量消耗小，動(dòng)力性能強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)提高汽車性能的目的。

1 基于風(fēng)洞模型的汽車底盤后半部結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型建立

1.1 汽車外流場數(shù)值模擬

為建立汽車底盤后半部結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型，首先通過幾何模型分析汽車底盤后半部分結(jié)構(gòu)與外部環(huán)境流場的關(guān)系，然后融合風(fēng)洞模型確定汽車底盤后半部結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)和汽車性能的關(guān)系[3]。

汽車的幾何模型如圖1 所示。

圖1 汽車幾何模型

本文建立的風(fēng)洞模型如圖2 所示。

圖2 風(fēng)洞模型

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕脕頊y試飛行器或者其他運(yùn)行器件與流動(dòng)氣體相互作用的關(guān)系，應(yīng)用于本文主要是根據(jù)分析結(jié)果對汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。本文采用風(fēng)洞模型的目的是定義模型汽車在行駛過程中外部氣流對汽車的影響，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的原理是利用兩個(gè)或者多個(gè)物體之間運(yùn)動(dòng)相對性理論和流動(dòng)性理論，如果汽車結(jié)構(gòu)出現(xiàn)危害，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)就會(huì)表現(xiàn)出來[4-5]。

為使汽車外流場數(shù)據(jù)模擬具有科學(xué)性和真實(shí)性，本文采用不同品牌銷量最高的汽車底盤后部結(jié)構(gòu)作為研究模型。因?yàn)檎鎸?shí)場地模擬會(huì)對人員造成傷害，所以采用模型進(jìn)行分析，模型為相同材料一比一大小的汽車模型，為了最大程度地還原汽車的性能，本文將風(fēng)洞模型的長和寬與汽車模型的長和寬比例設(shè)定為6 比1，高的比例設(shè)定為10 比1。本文采用汽車模型尺寸為3.8 m×1.6 m×1.5 m，車輪與地板設(shè)置為自動(dòng)移動(dòng)的，并且車輛行駛速度始終保持在120 km/h[6]。對于汽車底盤后結(jié)構(gòu)，汽車外流場影響因素關(guān)聯(lián)最強(qiáng)的是汽車的前后門、移動(dòng)玻璃、保險(xiǎn)杠以及后盤各個(gè)器件之間的連接零件。經(jīng)過風(fēng)洞模型和模擬的汽車模型，對汽車底盤后半部分的管道和線路進(jìn)行優(yōu)化，促進(jìn)汽車后半部分的空氣流動(dòng)，提高汽車的發(fā)動(dòng)性能[7]。

1.2 參數(shù)化有限元模型

參數(shù)化有限元模型主要是將汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行單元格劃分，完成汽車外流場數(shù)值計(jì)算，根據(jù)汽車底盤后半部分結(jié)構(gòu)參數(shù)，為汽車結(jié)構(gòu)分析提供數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)[8]。

首先對于普通的汽車底盤結(jié)構(gòu)，將底盤平均分為三部分架構(gòu)，然后對上層、中層以及下層三個(gè)架構(gòu)依次進(jìn)行格式化劃分，將底盤架構(gòu)的焊接部分利用剛性單元格進(jìn)行劃分處理。無論參數(shù)化有限元模型的網(wǎng)格的尺寸大小為多少，單元格的數(shù)量不進(jìn)行限定，只依據(jù)汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，以保證汽車底盤結(jié)構(gòu)分析的合理性。對于汽車底盤結(jié)構(gòu)的三個(gè)層次，全部采用統(tǒng)一類型的殼單元格劃分，一旦通過風(fēng)動(dòng)模型計(jì)算出汽車底盤哪一個(gè)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題時(shí)，就根據(jù)參數(shù)化有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)范圍細(xì)化[9-10]。

將汽車底盤后半部結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理劃分后，本文進(jìn)行參數(shù)化有限元模型的建立。對不同的詳細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行變量定義，得到汽車底盤各個(gè)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)變量如圖3～圖5 所示。

圖3 汽車底盤前橫梁詳細(xì)變量

圖4 汽車底盤縱橫梁詳細(xì)變量

圖5 汽車底盤后橫梁詳細(xì)變量

汽車底盤后半部分主要由前橫梁、縱臂、縱橫梁、后橫梁以及加強(qiáng)焊盤五大主要部分組成，結(jié)構(gòu)的主要要素就是結(jié)構(gòu)的大小、厚度、結(jié)構(gòu)的截面面積、各個(gè)結(jié)構(gòu)間的搭接面積、結(jié)構(gòu)的位置和空間之間的連帶關(guān)系。本文借助計(jì)算機(jī)畫圖軟件完成汽車底盤的模擬構(gòu)架，將汽車底盤后半結(jié)構(gòu)的各個(gè)特征點(diǎn)轉(zhuǎn)化為變量值，每一個(gè)變量值都設(shè)定一定的取值范圍，為后期計(jì)算提供便利[11-12]。每個(gè)變量的取值范圍是根據(jù)汽車底盤后半部分結(jié)構(gòu)尺寸、位置以及空間姿態(tài)合理確定的，設(shè)計(jì)變量的取值范圍如表1 所示。

表1 變量取值范圍mm

2 基于壓力分布云圖的汽車底盤后半部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 壓力分布云圖

汽車及流場分析有限元模型如圖6 所示。

圖6 汽車及流場分析有限元模型

壓力分布云圖由壓力分布單元、信息處理采集單元以及軟件系統(tǒng)構(gòu)成，壓力分布圖是將以上三部分進(jìn)行集成，用來展現(xiàn)事物壓力結(jié)構(gòu)情況[13]。汽車的壓力分布云圖如圖7 所示。

圖7 汽車壓力分布云圖

根據(jù)圖7 可知，本文汽車底盤后半部結(jié)構(gòu)壓力分布云圖在繪制過程中要引入一個(gè)速度矢量圖，表明汽車不同速度下汽車底盤后半部結(jié)構(gòu)對于外流氣體相互作用情況。速度矢量圖可以明顯地表現(xiàn)出汽車結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中微小的變化，壓力分布云圖是標(biāo)量圖，兩個(gè)變量圖相互補(bǔ)充。

壓力分布云圖在構(gòu)建過程中首先將汽車底盤結(jié)構(gòu)不變的位置繪制為藍(lán)色，氣流速度為紅色進(jìn)行區(qū)分。汽車在運(yùn)行過程中，底盤后半部結(jié)構(gòu)受到的沖擊力被前部分阻擋，因此底盤受到的沖擊力會(huì)有所減少，沖擊力一部分沿著汽車的前艙蓋、前擋風(fēng)和頂蓋離開汽車，另一部分經(jīng)過進(jìn)氣格柵，剩余的氣流經(jīng)由汽車底部離開汽車。向后的氣流進(jìn)入進(jìn)氣格柵后，前懸架附近存在兩個(gè)對稱的渦流，氣流在輪罩處向后流經(jīng)汽車底部和頂蓋的氣流相遇，向汽車后方流去[14]。本文模擬汽車的速度為120 km/h，速度的變化范圍是0～40 m/s。不考慮天氣等極端因素對汽車行駛的影響，本文構(gòu)建汽車底盤后半部的壓力分布云圖和速度矢量圖，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果對汽車底盤后半部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過以上風(fēng)洞模型、完成汽車外流場數(shù)值模擬并建立汽車參數(shù)化有限元模型、構(gòu)建壓力分布云圖和速度矢量云圖，對汽車底盤后半部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，具體優(yōu)化汽車底盤的懸架、制動(dòng)結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)。

電池包結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖8 所示。

圖8 電池包結(jié)構(gòu)優(yōu)化

懸架結(jié)構(gòu)優(yōu)化如圖9 所示。

圖9 懸架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

將后懸梁下護(hù)板后方左右縱梁向前延長0.213 m，后懸梁的長度增加0.30 m，寬增加0.40 m，高增加0.50 m，這樣構(gòu)建一個(gè)固定直角三角形，有利于汽車底盤后半結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性，然后左右懸梁延長0.40 m，減少安裝尺寸[15]。

對于汽車底盤后半部分轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是減少汽車行駛過程中的風(fēng)阻系數(shù)，通過風(fēng)洞模型的建立，可以知道雖然汽車底盤對于外界的風(fēng)沖擊受力少，但是也存在一定的影響。將汽車底盤空間位置向發(fā)動(dòng)機(jī)偏移30°，這樣就可以增加汽車底盤的風(fēng)抗系數(shù)，使汽車底盤后半部結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中汽車動(dòng)能最大化。

通過壓力分布云圖分析汽車在運(yùn)行過程中的湍流動(dòng)能消耗情況，正常的汽車湍流動(dòng)能消耗對于汽油的使用量比例為30 J/kg，但是傳統(tǒng)底盤結(jié)構(gòu)的汽車湍流動(dòng)能消耗為50 J/kg。這是因?yàn)槠嚨闹苿?dòng)系統(tǒng)不靈活，在汽車調(diào)整速度時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)不能靈活地進(jìn)行調(diào)檔，因此將汽車底盤的制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)縮小，并且在制動(dòng)結(jié)構(gòu)的各個(gè)連接點(diǎn)增加一個(gè)觸動(dòng)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)情況合理控制制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)速度，保證汽車底盤后半部制動(dòng)結(jié)構(gòu)在汽車運(yùn)行過程中的靈活性，提高汽車的性能。

3 模擬實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證本文提出的基于風(fēng)洞模型和壓力分布云圖的汽車底盤后半部結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的有效性，與優(yōu)化前和傳統(tǒng)的優(yōu)化方法進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)對比。

汽車原始參數(shù)如表2 所示。

表2 汽車原始參數(shù)

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)，選用本文提出的優(yōu)化方法和傳統(tǒng)優(yōu)化方法計(jì)算汽車的風(fēng)阻系數(shù)，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 優(yōu)化風(fēng)阻系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表3 可知，傳統(tǒng)的優(yōu)化方法對于懸架裝置、傳動(dòng)裝置、電池包裝置和下護(hù)板裝置的優(yōu)化能力都十分有限，優(yōu)化后風(fēng)阻系數(shù)下降也相對較低，優(yōu)化過程容易受到汽車底部氣流影響，所以雖然優(yōu)化后汽車的整車阻力系數(shù)下降，但是整體優(yōu)化效果不明顯。本文提出的方法對汽車底盤后半部的每部分結(jié)構(gòu)都能夠優(yōu)化，通過優(yōu)化電池包和懸架的阻力系數(shù)，來降低整車的阻力系數(shù)。

車輛優(yōu)化前后消耗能量如圖10 所示。

圖10 車輛優(yōu)化前后消耗能量

根據(jù)上圖可以更加直觀地分析能量損失情況，損失的面積越大，損失的能量越多，汽車的動(dòng)能越差。圖10 表示，傳統(tǒng)方法和本文方法都能減少汽車的能量損失，但是本文提出的方法能量損耗明顯小于傳統(tǒng)方法的能量損耗，尤其是懸架結(jié)構(gòu)和電池包，本文提出的優(yōu)化模型表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，能夠確保整車消耗能量降低，從而提高車輛的動(dòng)力性能。

4 結(jié)束語

本文為確定汽車底盤后半部各個(gè)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，分別構(gòu)建壓力分布云圖、參數(shù)化有限元模型，并進(jìn)行汽車運(yùn)行模擬，精確化汽車底盤后半部結(jié)構(gòu)的功能和各個(gè)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，最后對汽車底盤后半部的底盤懸架、制動(dòng)結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化處理，達(dá)到了本文的研究目的。