車(chē)輛后備箱變?nèi)菰O(shè)計(jì)及外流場(chǎng)數(shù)值模擬分析

解 瑞 雪， 張 明 恒,2， 胡 平*,2， 王 帥， 趙 秀 棟

( 1.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024 )

車(chē)輛后備箱變?nèi)菰O(shè)計(jì)及外流場(chǎng)數(shù)值模擬分析

解 瑞 雪1， 張 明 恒1,2， 胡 平*1,2， 王 帥1， 趙 秀 棟1

( 1.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024 )

功能多元化及實(shí)用化是當(dāng)前車(chē)輛工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和趨勢(shì)．針對(duì)家庭經(jīng)濟(jì)型轎車(chē)的實(shí)際應(yīng)用需求，從車(chē)輛后備箱容積可變角度開(kāi)展研究工作．首先，基于機(jī)構(gòu)再生運(yùn)動(dòng)鏈理論對(duì)后備箱變形機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；其次，為獲得最優(yōu)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，對(duì)車(chē)輛變形前后的氣動(dòng)性能進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并根據(jù)模擬分析結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)．研究結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的變形機(jī)構(gòu)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，能夠完成車(chē)輛在三廂形態(tài)與兩廂形態(tài)之間的變形，且三廂形態(tài)車(chē)輛的阻力系數(shù)小于兩廂形態(tài)，有一定的氣動(dòng)性能優(yōu)勢(shì)．相關(guān)研究結(jié)果為可變?nèi)莘e車(chē)輛設(shè)計(jì)提供了理論分析依據(jù)和實(shí)踐參考．

車(chē)輛變形設(shè)計(jì)；計(jì)算流體力學(xué)；數(shù)值模擬；阻力系數(shù)

0 引 言

隨著汽車(chē)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)交通工具提出了更高要求．對(duì)于普通消費(fèi)者，購(gòu)買(mǎi)多款不同類(lèi)型車(chē)輛實(shí)現(xiàn)不同的出行目的逐漸成為一種發(fā)展趨勢(shì)．與此同時(shí)，城市的交通環(huán)境狀況日益嚴(yán)峻，這迫使相關(guān)管理部門(mén)不得不采取類(lèi)似汽車(chē)限購(gòu)等措施來(lái)應(yīng)對(duì)擁堵與環(huán)境污染等問(wèn)題[1]．因此，消費(fèi)者需求多元化與節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)的矛盾成為汽車(chē)行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展所面臨的一大社會(huì)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題．交通工具的功能多元化研究是解決該問(wèn)題的關(guān)鍵所在，同時(shí)也是未來(lái)行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)與研究熱點(diǎn)．

目前車(chē)輛的變形技術(shù)研究主要體現(xiàn)在三方面：最小離地間隙、軸距和后備箱容積．科研人員在總結(jié)車(chē)輛變形領(lǐng)域已有成果基礎(chǔ)上，從車(chē)輛設(shè)計(jì)本身出發(fā)，提出了車(chē)輛變形的全新概念，即汽車(chē)本身具備一定的變形功能，可以根據(jù)消費(fèi)者的實(shí)際需求進(jìn)行變形，達(dá)到一車(chē)兩用或一車(chē)多用的目的．

已有研究中，大箱擴(kuò)容方案均是在不改變車(chē)輛外形基礎(chǔ)上，通過(guò)有效利用駕駛室后排座椅空間或提升后備箱開(kāi)口幅度和開(kāi)口面積(如掀背式方案)，以此獲得盡可能大的后備箱貨物裝載量．本文對(duì)家庭轎車(chē)的后備箱進(jìn)行改型，使車(chē)輛具備三廂形態(tài)與兩廂形態(tài)，且兩種模式間可進(jìn)行相互切換，以克服現(xiàn)有三廂轎車(chē)后備箱容積較小、載物受限的缺陷．

1 變形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)為以現(xiàn)有三廂轎車(chē)為設(shè)計(jì)平臺(tái)開(kāi)展后備箱變形設(shè)計(jì)，使車(chē)輛具備三廂與兩廂形態(tài)間自由切換的功能．為達(dá)到上述設(shè)計(jì)目標(biāo)，經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)平臺(tái)的詳細(xì)分析，本文提出了如圖1所示的變形設(shè)計(jì)方案．

圖1 變形設(shè)計(jì)方案

1.1 變形機(jī)構(gòu)的抽象及簡(jiǎn)化

基于上述變形方案，后備箱在繞旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)基礎(chǔ)上還耦合有桿件的平動(dòng)，系統(tǒng)桿件自由度為2．基于機(jī)構(gòu)再生運(yùn)動(dòng)鏈理論[2]，設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖圖譜如圖2所示．4種方案均由七桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成，理論上均能夠完成預(yù)定的變形要求．方案一和方案三均含有三副構(gòu)件，方案復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)不易控制；方案四中機(jī)構(gòu)尺寸較大．方案二的約束運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)為1、2、3、4四桿機(jī)構(gòu)，主要運(yùn)動(dòng)可看作1、2、3、4桿的四桿平面運(yùn)動(dòng)，5、6桿主要起到死點(diǎn)支撐作用，可以在兩廂模式下對(duì)機(jī)構(gòu)起到支撐作用．該方案簡(jiǎn)潔穩(wěn)定，因此本文選擇方案二進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)．其中部件2與3間的運(yùn)動(dòng)屬于一種復(fù)合運(yùn)動(dòng)，因此需要對(duì)該處進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化．

圖2 變形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)圖

1.2 主要變形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)仿真

根據(jù)平移旋轉(zhuǎn)復(fù)合運(yùn)動(dòng)的要求，所設(shè)計(jì)的弧形滑道機(jī)構(gòu)如圖3所示．弧形滑道一方面在變形過(guò)程中承受后備箱蓋板的垂直力，另一方面為后備箱變形提供導(dǎo)向作用，便于內(nèi)插．同時(shí)，以12 V直流電機(jī)為動(dòng)力源，結(jié)合滑塊和弧形滑道的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的自由變形．

圖3 弧形滑道機(jī)構(gòu)布置圖

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的合理性及對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行合理估計(jì)，本文在Adams中建立了對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)模型并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析．仿真基本參數(shù)為后車(chē)窗質(zhì)量15 kg，后備箱質(zhì)量20 kg，質(zhì)心均位于幾何中心，最大開(kāi)啟角度80°，運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果如圖4所示．由圖可知，后窗的開(kāi)啟角速度ω變化平穩(wěn)，要求的最大電機(jī)功率為280 Nm/s，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的后車(chē)窗自動(dòng)開(kāi)閉機(jī)構(gòu)可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求．

圖4 后窗開(kāi)啟角速度及電機(jī)功率

1.3 變形機(jī)構(gòu)布置

基于上述變形方案，本文設(shè)計(jì)的變形機(jī)構(gòu)整體布置如圖5所示，其中包括7個(gè)子機(jī)構(gòu)．后車(chē)窗與后備箱上平面可經(jīng)弧形滑道機(jī)構(gòu)移動(dòng)構(gòu)成兩廂時(shí)的尾部頂面，后備箱垂直面形成兩廂時(shí)后垂直面的上半部分，該變形動(dòng)作是整個(gè)變形過(guò)程的核心．尾部?jī)蓚?cè)及尾部后垂直面下半部分未封閉處分別由側(cè)垂直面及后垂直面配板加以封閉．圖6為樣車(chē)變形機(jī)構(gòu)布置實(shí)圖，圖7為實(shí)車(chē)照片．

圖5 機(jī)構(gòu)布置圖

圖6 樣車(chē)變形機(jī)構(gòu)布置實(shí)圖

(a) 三廂轎車(chē)

(b) 兩廂轎車(chē)

圖7 實(shí)車(chē)照片

Fig.7 Real car photos

2 外流場(chǎng)數(shù)值模擬分析

2.1 外流場(chǎng)數(shù)值模擬

對(duì)設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行逆向工程處理后即可獲得車(chē)輛的實(shí)體三維模型，在不改變流體軌跡整體走向的前提下，本文對(duì)該模型進(jìn)行了相應(yīng)簡(jiǎn)化：對(duì)表面局部凹凸作平滑處理，忽略車(chē)身外部后視鏡、雨刮器等突起物；輪胎簡(jiǎn)化為圓柱體形狀等．所獲得的車(chē)輛幾何模型如圖8所示．

圖8 車(chē)輛三維模型

Fig.8 3D model of vehicles

基于上述模型，本文利用ANSYS軟件對(duì)車(chē)輛變形前后的外流場(chǎng)變化情況進(jìn)行了具體數(shù)值模擬分析，采用的基本參數(shù)與模型方法為計(jì)算域：車(chē)前3倍車(chē)長(zhǎng)，車(chē)后6倍車(chē)長(zhǎng)，頂部4倍車(chē)高，左右側(cè)部各3倍車(chē)寬[3]；網(wǎng)格：四面體+邊界層網(wǎng)格[4]，車(chē)身及尾部區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化，生成三廂網(wǎng)格459×104，兩廂網(wǎng)格436×104；邊界條件：入口流速30 m/s，出口壓力為0，地面為移動(dòng)壁面，對(duì)稱(chēng)面為對(duì)稱(chēng)邊界，車(chē)身表面為無(wú)滑移邊界，其他為自由滑移壁面邊界；湍流模型：Realizablek-ε模型[5]；離散格式：一階迎風(fēng)格式+二階迎風(fēng)格式；求解器：分離式求解器．

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 阻力系數(shù)分析 阻力系數(shù)是汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)性能中最重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，由車(chē)輛外形決定，氣動(dòng)阻力系數(shù)越小，轎車(chē)行駛時(shí)受到的空氣阻力就越小，油耗也越小．汽車(chē)外形的氣動(dòng)特性由氣動(dòng)阻力系數(shù)來(lái)描述[6]：

式中：正投影面積A=1.05 m2，空氣密度ρ=1.205 kg/m3，車(chē)速v=30 m/s，D為車(chē)輛迎風(fēng)面氣動(dòng)阻力．三廂車(chē)與兩廂車(chē)氣動(dòng)阻力系數(shù)如表1、2所示．

表1 三廂形態(tài)阻力

表2 兩廂形態(tài)阻力

數(shù)據(jù)顯示，三廂形態(tài)的空氣阻力系數(shù)略小于兩廂形態(tài)的，且尾部的改變對(duì)前輪附近的流場(chǎng)影響較小，對(duì)后輪附近的流場(chǎng)影響較大．

2.2.2 對(duì)稱(chēng)面上表面壓力分布 作用在汽車(chē)上的氣動(dòng)力與汽車(chē)周?chē)鷫毫Ψ植贾苯酉嚓P(guān)，而車(chē)身表面的壓力分布對(duì)汽車(chē)的氣動(dòng)特性有重要影響[7]．為了更好地理解可變?nèi)莘e車(chē)輛在兩種形態(tài)下阻力產(chǎn)生差異的原因，引入車(chē)身表面壓力分布．為測(cè)量對(duì)稱(chēng)面壓力系數(shù)β，在車(chē)輛對(duì)稱(chēng)面曲線上各布置24個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)分布如圖9所示．圖10為對(duì)稱(chēng)面上表面壓力系數(shù)曲線．

(a) 三廂形態(tài)

(b) 兩廂形態(tài)

圖9 車(chē)輛測(cè)點(diǎn)分布

Fig.9 Measuring points distribution of vehicle

在1～14號(hào)測(cè)點(diǎn)，兩組數(shù)據(jù)基本相同，尾部的變化未對(duì)車(chē)身前部壓力產(chǎn)生較大影響，但15～24號(hào)測(cè)點(diǎn)區(qū)域則差距明顯．車(chē)輛處于三廂形態(tài)時(shí)，由于后車(chē)窗與車(chē)頂夾角較大，且沒(méi)有圓滑過(guò)渡，當(dāng)氣流流經(jīng)此處時(shí)發(fā)生嚴(yán)重分離并產(chǎn)生較大的負(fù)壓，壓力系數(shù)為-2.25(16號(hào)測(cè)點(diǎn))．此后氣流速度逐漸降低，當(dāng)氣流流經(jīng)后擋風(fēng)玻璃與行李艙頂蓋連接處時(shí)(19號(hào)測(cè)點(diǎn))，由于對(duì)氣流的阻擋，壓力系數(shù)增大為0.25．當(dāng)氣流流經(jīng)行李艙蓋邊緣時(shí)，氣流速度小幅度增加．相比之下，變形后兩廂形態(tài)車(chē)輛頂部過(guò)渡圓滑，氣流更為平順．

2.2.3 車(chē)輛外流場(chǎng)流態(tài)分析 通過(guò)對(duì)稱(chēng)面上表面壓力系數(shù)分布，只能較淺顯地分析影響兩種形態(tài)氣動(dòng)性能的關(guān)鍵因素，本節(jié)利用外流場(chǎng)流態(tài)分析手段，對(duì)車(chē)輛外流場(chǎng)進(jìn)行深入分析[8]．在模型尾部創(chuàng)建10個(gè)截面，通過(guò)對(duì)比模型尾部不同位置截面的速度矢量、湍流動(dòng)能和尾部流線，分析車(chē)輛兩種形態(tài)下尾部渦流的形成和發(fā)展、漩渦的強(qiáng)度及分布和氣流的流動(dòng)情況[9]．尾部截面布置如圖11所示，第1截面距車(chē)尾100 mm，第1至第5截面間隔均為100 mm，第5至第9截面各間隔200 mm，第10截面距第9截面400 mm。

圖11 尾部截面布置

圖12是第1、第5和第10截面速度矢量圖．

由圖12看出，車(chē)輛尾部形成兩對(duì)方向相反的渦流[10]．三廂形態(tài)上部渦流較小，原因是三廂形態(tài)尾部垂直面高度較小，部分側(cè)面氣流流過(guò)C柱后與頂面氣流匯合，使得上部渦流不明顯且位置靠下，由于更多地受到下部渦流的影響，在矢量圖中表現(xiàn)為長(zhǎng)條狀．兩廂形態(tài)由于尾部垂直面高度大，上部側(cè)面氣流與頂面氣流在尾部形成渦流，渦流位置靠上，下部渦流對(duì)其影響較小．

隨著截面到車(chē)尾距離的增加，下部渦流逐漸向周?chē)l(fā)展，上部渦流逐漸下移，并很快消失．三廂車(chē)下部渦流核心位置低于兩廂車(chē)下部渦流核心位置．三廂車(chē)上部渦流消失較快，兩廂車(chē)上部渦流消失較慢．

圖13是第1、第5和第10截面湍流動(dòng)能分布，圖14為外部流線分布．

由圖13、14可知，三廂形態(tài)與兩廂形態(tài)尾部不同位置的湍流動(dòng)能分布差異較大．任一截面處，三廂形態(tài)的湍流動(dòng)能都低于兩廂形態(tài)，尾部渦流攜帶的能量較小，故三廂形態(tài)比兩廂形態(tài)阻力小，與氣動(dòng)阻力系數(shù)表現(xiàn)出的結(jié)論一致．同時(shí)三廂形態(tài)上部渦流較小，與截面速度矢量圖的結(jié)論吻合．兩廂形態(tài)尾部渦流湍流動(dòng)能大，兩對(duì)渦流核心更為靠上，流線相對(duì)三廂形態(tài)更不規(guī)則．

2.3 模擬結(jié)果優(yōu)化

由上述仿真模擬結(jié)果可知，兩廂形態(tài)阻力系數(shù)高的主要原因是尾部后車(chē)廂垂直高度大．但考慮到變形車(chē)項(xiàng)目的目的，兩廂形態(tài)追求空間體積大，重視實(shí)用性能，因此尾部?jī)A角不宜減小．而三廂形態(tài)尾部?jī)A角大，分離嚴(yán)重，而且不涉及太多空間限制，有必要對(duì)三廂形態(tài)的尾部造型進(jìn)一步優(yōu)化，從而提高變形車(chē)的氣動(dòng)性能．

圖12 不同截面上速度矢量

圖13 不同截面上湍流動(dòng)能

(a) 三廂形態(tài) (b) 兩廂形態(tài)

為獲得優(yōu)化的外形結(jié)構(gòu)，本文通過(guò)引入后假想角參數(shù)對(duì)車(chē)身外形變化與復(fù)雜的氣流現(xiàn)象進(jìn)行優(yōu)化分析[11]．后假想角θrt是車(chē)身頂蓋后緣如行李箱邊緣的連線與頂蓋的夾角，后假想角與氣動(dòng)阻力系數(shù)的關(guān)系如圖15所示．可見(jiàn)，對(duì)于箱形車(chē)身，后假想角θrt在20°附近時(shí)對(duì)氣動(dòng)阻力系數(shù)的降低有較大影響；對(duì)于階背式車(chē)身，后假想角θrt在20°附近且θrwt=25°時(shí)對(duì)氣動(dòng)阻力系數(shù)的降低有較大影響．因此，本文根據(jù)這種變化規(guī)律，將優(yōu)化改進(jìn)的目標(biāo)設(shè)定為θrt=20°，θrwt=25°．基于該優(yōu)化目標(biāo)，本文分別對(duì)原車(chē)模型的尾部進(jìn)行了改進(jìn)并進(jìn)行了相應(yīng)的模擬分析，分析結(jié)果如圖16所示．可見(jiàn)，優(yōu)化后車(chē)輛壓力系數(shù)為0.290，相比優(yōu)化前(θrt=20°，θrwt=28.5°)整體降低了15%，車(chē)身、前輪和后輪處的阻力均分別下降．

(a) 尺寸

(b) ΔCD-θrt

圖15 后假想角與CD的關(guān)系

Fig.15 Relationship between rear hypothetical angle andCD

3 結(jié) 語(yǔ)

本文基于對(duì)車(chē)輛的功能多元化需求，從車(chē)輛后備箱變?nèi)萁嵌乳_(kāi)展變形方案與變形機(jī)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)研究工作．目前所設(shè)計(jì)的變形機(jī)構(gòu)執(zhí)行方案已經(jīng)在樣機(jī)上進(jìn)行了應(yīng)用，變形過(guò)程穩(wěn)定，未產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，從實(shí)踐上證明了該設(shè)計(jì)方案具有簡(jiǎn)單易行、可靠性較高的特點(diǎn)．變形機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果表明所提出的設(shè)計(jì)方案具有良好的動(dòng)力學(xué)性能．同時(shí)，車(chē)輛變形前后的外流場(chǎng)數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，三廂形態(tài)的阻力系數(shù)較小，升力系數(shù)略大于兩廂形態(tài)，尾部形態(tài)對(duì)前部車(chē)身壓力分布影響不大，較兩廂形態(tài)而言，三廂形態(tài)具有一定的氣動(dòng)性能優(yōu)勢(shì)．

結(jié)合具體實(shí)踐過(guò)程還應(yīng)著重在以下方面進(jìn)行深入研究：由于所給出的設(shè)計(jì)方案涉及多運(yùn)動(dòng)部件間的耦合性運(yùn)動(dòng)關(guān)系，各桿件的運(yùn)動(dòng)速度、方向及加速度等因素是影響整體變形速度、能量消耗的重要方面，因此有必要針對(duì)各運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)特性從整體上對(duì)其進(jìn)行合理的控制策略?xún)?yōu)化．

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Design of vehicle with variable volume trunk and numerical simulation analysis of its external flow field

XIE Rui-xue1, ZHANG Ming-heng1,2, HU Ping*1,2, WANG Shuai1, ZHAO Xiu-dong1

( 1.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China； 2.School of Automotive Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China )

Multi-function and practicality have attracted more attention in the research of vehicle engineering. Based on the requirements for family economic cars, more attentions are paid to the vehicle trunk transforming. Firstly, based on the regenerated movement link theory, the structure of the transformation mechanism for vehicle trunk is designed. Furthermore, in order to obtain an optimal design, a numerical simulation analysis based on aerodynamic performance is conducted, and the improvements are made with these simulation results. The results prove that the proposed mechanical structure design conforms with the requirements and completes the transformation between the forms of sedan and hatchback. The sedan has the smaller wind resistance coefficient than the hatchback, and has the advantages in aerodynamics. The study results supply theoretical support and practical basis for variable volume vehicle design.

variant vehicle design; calculation fluid dynamics (CFD); numerical simulation; drag coefficient

1000-8608(2015)04-0345-07

2014-12-10；

2015-05-28．

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013BAG05B01).

解瑞雪(1990-)，女，碩士生，E-mail:ruixue070809@126.com；胡 平*(1956-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:pinghu@dlut.edu.cn.

U463.82

A

10.7511/dllgxb201504002