鄧琦嵐Deng Qilan

某商用輕卡導(dǎo)流罩輕量化研究

鄧琦嵐
Deng Qilan

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330010）

基于工程材料學(xué)和有限元理論，運(yùn)用Nastran仿真軟件，對某商用輕卡的導(dǎo)流罩及支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對比分析，開展輕量化導(dǎo)流罩CAE強(qiáng)度分析及迎風(fēng)壓力分析，同時(shí)開展外流場風(fēng)阻分析，結(jié)果顯示，導(dǎo)流罩本體玻璃纖維配方調(diào)整和固定支架輕量化后，導(dǎo)流罩本體和支架最大應(yīng)力得到改善，整車風(fēng)阻系數(shù)值降低6%，減重5 kg，輕量化效果顯著。

輕卡；導(dǎo)流罩；輕量化

0 引 言

后疫情時(shí)代我國經(jīng)濟(jì)重回快速發(fā)展階段，新興經(jīng)濟(jì)業(yè)態(tài)極大促進(jìn)了電商經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，同時(shí)伴隨著我國城鄉(xiāng)道路網(wǎng)絡(luò)日益完善，城鄉(xiāng)物流配送及快遞行業(yè)全面鋪開，商用車尤其是輕卡車型的銷量增長迅速，但是輕卡容易出現(xiàn)超載超重問題，在保證整車承載性能和結(jié)構(gòu)可靠性能的前提下，應(yīng)盡可能減輕整車整備質(zhì)量[1-3]；同時(shí)，隨著國六排放政策法規(guī)的陸續(xù)出臺，國家對于汽車行業(yè)提出了更高更嚴(yán)的技術(shù)要求，汽車輕量化設(shè)計(jì)成為汽車行業(yè)的競爭高地和重要發(fā)展方向。汽車輕量化技術(shù)旨在保證汽車強(qiáng)度、剛度和安全等性能的前提下，盡可能地減輕整備質(zhì)量，提高汽車行駛性能，實(shí)現(xiàn)低碳綠色環(huán)保可持續(xù)發(fā)展。導(dǎo)流罩裝置是輕卡車型重要的降低風(fēng)阻功能件，其輕量化路徑性價(jià)比高[4-5]，為貨運(yùn)業(yè)節(jié)能減排提出了新思路，研究商用輕卡導(dǎo)流罩的輕量化方案具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。

基于工程材料學(xué)和有限元理論，運(yùn)用Nastran仿真軟件，對某商用輕卡的導(dǎo)流罩及支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及對比分析，開展輕量化導(dǎo)流罩CAE強(qiáng)度分析及迎風(fēng)壓力分析，同時(shí)開展外流場風(fēng)阻分析，結(jié)果顯示，導(dǎo)流罩本體和固定支架輕量化后，導(dǎo)流罩本體和支架最大應(yīng)力得到改善，整車風(fēng)阻系數(shù)降低6%，導(dǎo)流罩本體及支架減重5 kg，輕量化效果顯著。

1 導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)優(yōu)化及CAE強(qiáng)度分析

導(dǎo)流罩是指安裝在輕卡駕駛室頂部的空氣導(dǎo)流零部件裝置，如圖1所示，可以改善汽車空氣動(dòng)力性能，有效減少輕卡車型空氣阻力及降低油耗；尤其對于迎風(fēng)面積較大的寬體輕卡車型，采用導(dǎo)流罩在高速工況下可顯著降低風(fēng)阻效果。輕卡導(dǎo)流罩一般是硬殼式罩蓋，采用固定支架安裝于駕駛室頂蓋。目前，導(dǎo)流罩的制造工藝主要有手糊玻璃鋼工藝、SMC(Sheet Molding Compound，片狀模塑料模壓)工藝。

圖1 某商用輕卡導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)圖

1.1 導(dǎo)流罩輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輕卡輕量化旨在通過使用新材料和新結(jié)構(gòu)降低整車整備質(zhì)量。輕卡導(dǎo)流罩的基礎(chǔ)方案為玻璃鋼材質(zhì)，重量為30 kg，輕量化方案主要是將玻璃鋼導(dǎo)流罩本體的玻璃纖維含量從20%提高到35%，增加了材料強(qiáng)度，減薄導(dǎo)流罩及支架厚度，導(dǎo)流罩厚度從2.5 mm減薄至2 mm，安裝支架厚度從4 mm減薄至3 mm。如圖2所示，輕量化后導(dǎo)流罩及支架重量為25 kg，減重5 kg。

圖2 輕量化導(dǎo)流罩CAE模型

1.2 導(dǎo)流罩輕量化方案CAE強(qiáng)度分析

1.2.1 CAE頻響對比分析

在Nastran軟件中對導(dǎo)流罩及支架本體進(jìn)行有限元模型建模，網(wǎng)格大小為3 mm，單元類型為Shell，支架和導(dǎo)流罩本體采用rigid連接，如圖2所示，約束導(dǎo)流罩與駕駛室連接處的全部自由度，在向施加1 GPa載荷激勵(lì)，結(jié)構(gòu)阻尼為0.025，掃頻范圍為1～55 Hz。

對基礎(chǔ)導(dǎo)流罩系統(tǒng)及輕量化后導(dǎo)流罩系統(tǒng)進(jìn)行頻率響應(yīng)CAE強(qiáng)度對比分析，結(jié)果如圖3所示。基礎(chǔ)方案的最大應(yīng)力為504 MPa，所對應(yīng)的頻率為12 Hz，輕量化后最大應(yīng)力為188 MPa，所對應(yīng)的頻率為15 Hz，輕量化后應(yīng)力下降顯著，改善效果明顯。

1.2.2 迎風(fēng)面壓CAE分析

導(dǎo)流罩的主要設(shè)計(jì)目的是減少整車風(fēng)阻，在高速工況其使整車風(fēng)阻降低的效果更為顯著。導(dǎo)流罩輕量化后需要校核迎風(fēng)面壓CAE強(qiáng)度，為此對導(dǎo)流罩本體施加向面壓300 N迎風(fēng)壓力載荷，結(jié)果如圖4所示。導(dǎo)流罩本體最大位移為3.32 mm，小于基礎(chǔ)方案4.21 mm。導(dǎo)流罩支架最大應(yīng)力為47.72 MPa，小于基礎(chǔ)方案67.23 MPa。

2 導(dǎo)流罩輕量化CAE風(fēng)阻分析

采用StarC++軟件對輕量化的導(dǎo)流罩進(jìn)行外流場風(fēng)阻CAE分析，其中冷凝器風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，散熱器風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為300 r/min，空氣密度為1.18 kg/m3，整車車速為100 km/h。網(wǎng)格模型大小為8 mm，局部細(xì)節(jié)進(jìn)行建模簡化處理。外流場CAE模型如圖5所示。

圖5 導(dǎo)流罩輕量化外流場模型

按照上述參數(shù)設(shè)置對輕量化導(dǎo)流罩進(jìn)行整車風(fēng)阻分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后風(fēng)阻系數(shù)為0.5，下降了6%，有助于降低整車油耗。

3 結(jié) 論

基于工程材料學(xué)和有限元理論，運(yùn)用Nastran仿真軟件和StarC++軟件對某商用輕卡的導(dǎo)流罩及支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及對比分析，結(jié)果顯示，導(dǎo)流罩系統(tǒng)輕量化后最大應(yīng)力為188 MPa，與基礎(chǔ)方案最大應(yīng)力504 MPa相比，應(yīng)力下降顯著；迎風(fēng)面壓導(dǎo)流罩本體最大位移輕量化后為3.32 mm，小于基礎(chǔ)方案4.21 mm；迎風(fēng)面壓導(dǎo)流罩支架最大應(yīng)力輕量化后為47.72 MPa，小于基礎(chǔ)方案67.23 MPa。導(dǎo)流罩輕量化后整車風(fēng)阻系數(shù)為0.5，降低了6%。整車導(dǎo)流罩及支架重量為25 kg，減重5 kg，輕量化效果顯著。

[1]丁樂芳，張憲，官已駿. 基于導(dǎo)流罩優(yōu)化的輕卡車型節(jié)油效果研究[J]. 汽車工程學(xué)報(bào), 2020, 10(6):7.

[2]陳明亮, 黃幼林, 董勇峰,等. 基于有限元法的某商用車整車外流場性能仿真及試驗(yàn)研究[J]. 汽車實(shí)用技術(shù), 2020, 45(21):2.

[3]童波, 邵慶賢, 湯艷,等. 結(jié)構(gòu)優(yōu)化和新材料技術(shù)對商用車輕量化的影響[J]. 汽車零部件, 2015(4):3.

[4]黃勤, 何帆影, 宋磊,等. 基于有限元方法的某輕卡車架性能研究[J]. 汽車實(shí)用技術(shù), 2020(7):3.

[5]黃勤, 劉風(fēng)華, 何帆影,等. 基于Nastran的某輕卡ECU支架共振問題優(yōu)化研究[J]. 汽車實(shí)用技術(shù), 2020(9):2.

2021-07-20

1002-4581（2021）06-0016-03

U463.83+2

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.06.005