米俊松，江鵬飛，王建美，齊 芳 Mi Junsong，Jiang Pengfei，Wang Jianmei，Qi Fang

節(jié)能車(chē)車(chē)身與車(chē)架設(shè)計(jì)分析

米俊松，江鵬飛，王建美，齊 芳
Mi Junsong，Jiang Pengfei，Wang Jianmei，Qi Fang

（武漢華夏理工學(xué)院 汽車(chē)工程學(xué)院，湖北 武漢 430223）

節(jié)能車(chē)通過(guò)減小空氣阻力，結(jié)構(gòu)材料輕量化來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的，主要介紹節(jié)能車(chē)車(chē)身車(chē)架的總體設(shè)計(jì)思路和方案，車(chē)身方面首先從空氣動(dòng)力學(xué)理論入手，盡可能減小風(fēng)阻系數(shù)，然后通過(guò)軟件建模把車(chē)身導(dǎo)入分析軟件進(jìn)行優(yōu)化，得到有良好空氣動(dòng)力學(xué)性能的車(chē)身；車(chē)架方面首先從幾種基本車(chē)架形式入手，多方面考慮選取最優(yōu)方案并完成建模，然后導(dǎo)入軟件進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出符合節(jié)能車(chē)性能要求的輕質(zhì)量車(chē)架。

節(jié)能車(chē)；車(chē)身；車(chē)架；空氣動(dòng)力學(xué)

0 引 言[1]

隨著社會(huì)不斷發(fā)展，能源不斷枯竭，節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境已成為當(dāng)今社會(huì)面臨的重要問(wèn)題。石油儲(chǔ)備的急劇減少預(yù)示著節(jié)能是現(xiàn)今汽車(chē)發(fā)展的必然趨勢(shì)。車(chē)身車(chē)架作為阻力及能耗的主要部件，是節(jié)能車(chē)的主要研究?jī)?nèi)容，研究了節(jié)能車(chē)的車(chē)身和車(chē)架設(shè)計(jì)，以獲得良好的空氣動(dòng)力學(xué)性能和使結(jié)構(gòu)輕量化，從而提高燃油經(jīng)濟(jì)性、汽車(chē)操縱穩(wěn)定性和安全性等。通常發(fā)動(dòng)機(jī)近60％的功耗用來(lái)克服行駛阻力，其中空氣阻力占據(jù)主要部分，因此對(duì)車(chē)輛的空氣動(dòng)力學(xué)探究是節(jié)能的重要方向。

1 節(jié)能車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)分析

1.1 車(chē)身外形設(shè)計(jì)理論分析

車(chē)輛在行駛中，推動(dòng)前方的氣流，車(chē)頭部分氣流運(yùn)動(dòng)速度減慢，使車(chē)頭部分壓力升高，同時(shí)這部分氣流會(huì)向車(chē)身四周分散，為了實(shí)現(xiàn)車(chē)頭部分氣流的良好疏導(dǎo)，應(yīng)減小車(chē)頭的迎風(fēng)面積，車(chē)頭迎風(fēng)區(qū)設(shè)計(jì)應(yīng)圓滑平順，減小阻力并引導(dǎo)氣流[1]。車(chē)尾部分某些區(qū)域氣流無(wú)法填補(bǔ)，使該區(qū)域形成真空區(qū)，真空區(qū)的壓力較小，車(chē)頭、車(chē)尾形成了壓力差，產(chǎn)生氣動(dòng)阻力，為減小真空區(qū)，車(chē)尾的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能小，類(lèi)似于水滴的形狀。由于氣流進(jìn)入車(chē)身內(nèi)部后參與內(nèi)循環(huán)并冷卻形成內(nèi)循環(huán)阻力，為減少空氣進(jìn)入車(chē)身內(nèi)部，應(yīng)選擇全包圍車(chē)身，因?yàn)槿鼑?chē)身相比半包圍車(chē)身具有更小的風(fēng)阻系數(shù)。

1.2 車(chē)身建模

結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)理論和車(chē)架參數(shù)進(jìn)行車(chē)身建模，車(chē)身外形設(shè)計(jì)類(lèi)似于水滴形狀，采用CATIA自由曲面結(jié)合創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)進(jìn)行車(chē)身建模，先由3D曲線構(gòu)建整車(chē)線條，再結(jié)合曲面橋接、填充等命令形成曲面，為達(dá)到車(chē)身光潔度和曲面連續(xù)性要求，需要確保大多數(shù)面都達(dá)到G1、G2連續(xù)。采用全包圍車(chē)身，如圖1所示。

圖1 車(chē)身外形圖

1.3 計(jì)算域的生成和網(wǎng)格劃分

使用有限元分析軟件，通過(guò)ICEM-CFD軟件建立車(chē)身外流場(chǎng)計(jì)算域和劃分網(wǎng)格，導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行計(jì)算，得到車(chē)身周?chē)魉僖约皦毫Φ姆植记闆r，優(yōu)化和驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果。

將CATIA模型導(dǎo)入ICEM-CFD，建立流場(chǎng)流體域，氣流在車(chē)身周?chē)欢ǚ秶獠皇苘?chē)身影響，根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)果，流體域一般為9倍車(chē)長(zhǎng)、5倍車(chē)高、6倍車(chē)寬的一個(gè)長(zhǎng)方體形狀。從流體域邊界設(shè)置氣流進(jìn)口和出口作為流體的入口和出口邊界[2]。因?yàn)楣?jié)能車(chē)的車(chē)輪內(nèi)包，而且尺寸小，對(duì)氣流的影響較弱，所以在建立模型時(shí)忽略車(chē)輪，整車(chē)離地間隙60 mm。計(jì)算域建立完成后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，實(shí)現(xiàn)主流區(qū)域離散化。網(wǎng)格分為面網(wǎng)格和體網(wǎng)格，面網(wǎng)格用來(lái)描述物體表面特征，體網(wǎng)格用于填充實(shí)體區(qū)域。網(wǎng)格劃分質(zhì)量對(duì)求解精度的影響很大，一般要對(duì)車(chē)身周?chē)偷孛婢W(wǎng)格進(jìn)行加密處理，面與面角度較小的面網(wǎng)格設(shè)置較小以提高求解精度。流體域的劃分結(jié)果如圖2所示，網(wǎng)格數(shù)為485 531，節(jié)點(diǎn)數(shù)為113 412，網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.3，保證仿真結(jié)果有意義（網(wǎng)格質(zhì)量必須大于0.1）。

圖2 流體域網(wǎng)格劃分

1.4 外流場(chǎng)的仿真分析

網(wǎng)格劃分完成后，導(dǎo)入Fluent，節(jié)能車(chē)的平均車(chē)速為25 km/h，周?chē)鷼饬黢R赫數(shù)小于0.3屬于不可壓縮空氣動(dòng)力學(xué)范疇，選擇SST-湍流模型，該模型可應(yīng)用于粘性?xún)?nèi)層，通過(guò)壁面函數(shù)可精確模擬邊界層，設(shè)置進(jìn)口速度為8 m/s，選用2階迎風(fēng)離散格式?？刂品匠淘O(shè)置完成后進(jìn)行計(jì)算，設(shè)置迭代步數(shù)，一般設(shè)置為300步可以完成計(jì)算，得到穩(wěn)定的曲線圖，計(jì)算結(jié)果收斂。車(chē)身表面壓力云圖及速度矢量圖如圖3、圖4所示。

圖3 車(chē)身表面壓力云圖

圖4 車(chē)身表面速度矢量圖

由圖3和圖4可知，氣流到達(dá)車(chē)頭部分，速度迅速下降，形成駐點(diǎn)壓力最大。隨后氣流沿駐點(diǎn)向車(chē)身周?chē)鷶U(kuò)散，車(chē)身上部氣流逐漸加速，壓力逐漸減小。在車(chē)頭兩側(cè)，氣流流速快，形成較大負(fù)壓，氣流到達(dá)車(chē)身頂部速度達(dá)到最大，然后速度逐漸減小并在尾部與車(chē)身底部的氣流匯合，壓力逐漸增大。因?yàn)檐?chē)身尾部壓力相比車(chē)頭部分較小，形成壓力差，產(chǎn)生壓差阻力。對(duì)車(chē)身進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，增加氣流到達(dá)車(chē)頭后的流速，減小空氣阻力。由圖3可知，車(chē)頭駐點(diǎn)區(qū)域較小，氣流在車(chē)身表面和尾部并未發(fā)生較大分離，車(chē)頭、車(chē)尾形成的壓差阻力小。分析可得，車(chē)身在8 m/s進(jìn)口速度下受到空氣阻力為2.3 N。

2 車(chē)架設(shè)計(jì)

2.1 車(chē)架類(lèi)型分析

車(chē)架是整輛節(jié)能車(chē)的載體，參照近幾年節(jié)能車(chē)車(chē)架樣式，主要分為4種。

1）梯形車(chē)架。

在賽場(chǎng)上大部分車(chē)隊(duì)都使用該種車(chē)架，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于加工、小巧輕便、造型美觀[3]。

2）空間車(chē)架。

優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，車(chē)架強(qiáng)度高、剛度大；缺點(diǎn)是車(chē)架質(zhì)量較重，結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜[4]。

3）碳纖維單體殼。

優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕、強(qiáng)度大，車(chē)身車(chē)架一體；缺點(diǎn)是加工極其復(fù)雜，造價(jià)昂貴。

4）小型賽車(chē)車(chē)架。

類(lèi)似于卡丁車(chē)車(chē)架，優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高、造型美觀；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜且過(guò)于笨重，不滿足節(jié)能要求[5]。

綜上所述，采用梯形車(chē)架作為節(jié)能車(chē)的車(chē)架形式。

2.2 車(chē)架建模

節(jié)能車(chē)車(chē)架的主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 車(chē)架參數(shù)

根據(jù)相關(guān)參數(shù)在CATIA中搭建模型，結(jié)合節(jié)能車(chē)總布置和人機(jī)工程完成三維建模，如圖5、圖6所示。

圖5 車(chē)架建模

圖6 人機(jī)工程分析

3 車(chē)架優(yōu)化改進(jìn)

采用ANSYS有限元分析對(duì)車(chē)架進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 優(yōu)化目標(biāo)

結(jié)合節(jié)能車(chē)總布置要求及參賽規(guī)則確定車(chē)架的設(shè)計(jì)目標(biāo)，見(jiàn)表2。

表2 車(chē)架優(yōu)化目標(biāo)

3.2 優(yōu)化方案

方案1：如圖7所示，添加三角結(jié)構(gòu)（圖7中圓圈部分）在車(chē)架輪胎安裝點(diǎn)附近，但是車(chē)架高度過(guò)高，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

圖7 方案1車(chē)架

方案2：如圖8所示，降低車(chē)架的高度以減小迎風(fēng)面積，去掉部分三角結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化后輪安裝架結(jié)構(gòu)，相較方案1車(chē)架寬度縮小120 mm。

圖8 方案2車(chē)架

對(duì)方案1車(chē)架進(jìn)行扭轉(zhuǎn)工況分析，固定后輪安裝點(diǎn)，對(duì)左前輪安裝點(diǎn)軸正方向施加=+1 000 N的載荷，對(duì)右前輪安裝點(diǎn)軸負(fù)方向施加=－1 000 N的載荷，方向變形圖如圖9所示，通過(guò)分析得出撓度=3.614 8 mm。

圖9 方案1車(chē)架方向變形圖

對(duì)方案2車(chē)架進(jìn)行扭轉(zhuǎn)工況分析，施加與方案1相同的變形條件，方向變形圖如圖10所示。通過(guò)分析，得出撓度=2.530 5 mm。

圖10 方案2車(chē)架方向變形圖

將分析結(jié)果數(shù)據(jù)帶入扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算式

式中：T為扭轉(zhuǎn)剛度；為載荷；為力臂；為撓度。

表3 車(chē)架各參數(shù)對(duì)比

節(jié)能車(chē)在賽道上平均速度為35 km/h，在平穩(wěn)的賽道上行駛，兩方案扭轉(zhuǎn)剛度都符合要求；兩方案的車(chē)架參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表3，通過(guò)對(duì)比綜合考慮，選擇質(zhì)量更輕、體積更小的方案2車(chē)架。

4 結(jié) 論

在節(jié)能車(chē)的車(chē)身設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能降低車(chē)身的迎風(fēng)面積和離地間隙，車(chē)身要圓滑，并且曲面過(guò)渡均勻連續(xù)，車(chē)尾部要小以減少尾渦和真空部分。在車(chē)身輕量化方面，首先是材料的選取，然后在滿足強(qiáng)度、剛度的前提下減輕質(zhì)量，最終設(shè) 計(jì)出類(lèi)似水滴形狀的車(chē)身外形，并對(duì)其進(jìn)行外流場(chǎng)仿真分析。汽車(chē)總質(zhì)量影響加速阻力、滾動(dòng)阻力和坡道阻力，阻力增加導(dǎo)致油耗增加，對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性影響大。要降低節(jié)能車(chē)的油耗，需要減輕汽車(chē)總質(zhì)量，車(chē)架作為整車(chē)的載體，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，所占質(zhì)量最大，車(chē)架優(yōu)化是整車(chē)輕量化的重點(diǎn)與難點(diǎn)。在兩種車(chē)架設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合節(jié)能車(chē)使用性能和輕量化的設(shè)計(jì)要求，最終得到較好的車(chē)架設(shè)計(jì)效果。

[1]張國(guó)忠，賴(lài)征海.汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)與車(chē)身造型研究最新進(jìn)展[J].沈陽(yáng)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，17（6）：39-44.

[2]江洪，唐鵬. 轎車(chē)車(chē)身外流場(chǎng)的CFD仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，30（3）：470-475.

[3]馬小康，劉強(qiáng)，宗志堅(jiān)，等. 節(jié)能賽車(chē)鋁合金車(chē)架結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（4）：16-18.

[4]武柏年，黃小海，王國(guó)麗. 節(jié)能車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)研究[J]. 車(chē)輛與動(dòng)力技術(shù)，2011（4）：42-45.

[5]李亞鵬. 本田節(jié)能競(jìng)技大賽節(jié)能車(chē)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J]. 科技資訊，2017，15（33）：82-83.

2019-04-18

武漢華夏理工學(xué)院校級(jí)科研基金項(xiàng)目（17013）。

U463.32

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2019.04.004

1002-4581（2019）04-0013-04