基于UG和ANSYS軟件的大學(xué)生方程式賽車車身設(shè)計與流場分析

馬 健,王 瑋,王凱鵬（南京農(nóng)業(yè)大學(xué),南京 210031）

基于UG和ANSYS軟件的大學(xué)生方程式賽車車身設(shè)計與流場分析

馬 健,王 瑋,王凱鵬
（南京農(nóng)業(yè)大學(xué),南京 210031）

摘 要：UG軟件具有強(qiáng)大的曲面建模功能，其無差化的草繪曲線和三維曲線功能給實際建模過程帶來便利條件。本文通過對已知大學(xué)生方程式賽車車架進(jìn)行車身的設(shè)計建模，并通過有限元分析軟件ANSYS 中FLUENT模塊對賽車車身進(jìn)行流場分析，驗證賽車車身良好的空氣動力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：UG；大學(xué)生方程式賽車；車身；流體分析

1　前言

大學(xué)生方程式汽車大賽被譽(yù)為汽車工程師的搖籃，參賽對象主要為大學(xué)在校學(xué)生，允許少量研究生參與，但對人數(shù)有著嚴(yán)格的限定，目標(biāo)為培養(yǎng)一批具有優(yōu)秀動手能力、自主開發(fā)能力的未來汽車工程師，同時大賽規(guī)則對賽車進(jìn)行嚴(yán)格的限定，使得設(shè)計更為復(fù)雜。本文利用UG的輔助設(shè)計對已有車架進(jìn)行車身設(shè)計，并ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析以得到具有優(yōu)良空氣動力學(xué)性能的車身。

2　大學(xué)生方程式賽車車架

大學(xué)生方程式賽車車架如圖1所示，賽車車架作為各零部件的載體，對各零部件起到支持、連接作用，同時也受到來自自賽車內(nèi)外的各種力的作用。在對車架設(shè)計初期必須考慮到車架應(yīng)該有足夠的強(qiáng)度來支撐車體在各種工況下而不會斷裂，同時有足夠的剛度來克服車架的形變，以免對車上各零部件間的配合產(chǎn)生影響。在滿足上述剛度與強(qiáng)度條件下還需要滿足質(zhì)量盡可能輕，本文選取車架為桁架式結(jié)構(gòu)，選用4130鋼管經(jīng)過氬弧焊焊接完成后能夠滿足上述條件。

3　大學(xué)生方程式賽車車身

大學(xué)生方程式汽車大賽作為一項追求比賽速度的賽事，車身空氣動力學(xué)性能的好壞對比賽成績影響是巨大的，車身曲面的平順性，連續(xù)性又對空氣動力學(xué)特性有著較大的影響。UG軟件強(qiáng)大的曲面建模能力能夠使車身曲面更加平順，使氣流不易從車身表面分離，從而對車身空氣動力學(xué)性能產(chǎn)生較好影響。

4　車身模型的建立

首先將已有車架模型導(dǎo)入UG軟件中，利用UG軟件中自上而下的建模形式，在已有車架的情況下對車身進(jìn)行設(shè)計，能夠更好地將車身與車架進(jìn)行配合，有效防止了與車架干涉問題和車身與車架間空余空間過大的問題[1]。通過已有車架模型對車身主要曲線進(jìn)行構(gòu)建，在構(gòu)建曲線中由于車身本身是對稱的，本文采取對半邊車身進(jìn)行建模，在完成半車身建模后，利用軟件鏡像功能將半車身鏡像成完整車身；在曲線構(gòu)造上采用B樣條曲線進(jìn)行構(gòu)造，同時添加必要的約束，保證建模完成后車身的光順性。

在對車身主要曲線構(gòu)建完成后，根據(jù)不同的情況采取直紋曲面、網(wǎng)格曲面、橋接曲面、有界曲面、縫合曲面等命令完成賽車車身的初步設(shè)計。在初步設(shè)計完成后，利用UG自帶曲面分析功能分析觀察曲面，避免出現(xiàn)大的縫隙和不光順的情況發(fā)生，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行修改和再分析，直至達(dá)到曲面的光順和造型的美觀[2]。基于車架的車身曲線和整體車身曲面如圖1和圖2所示

5　車身模型的流體分析

車身空氣動力學(xué)研究可以通過：風(fēng)洞實驗、實際測試、數(shù)值計算法等，但風(fēng)洞試驗費用較高，而且風(fēng)洞實驗室數(shù)量較少，并不是每個學(xué)校都有相應(yīng)的設(shè)備；實際測試必須要等到整車完成裝配后才可以進(jìn)行，具有很大的局限性；因此在設(shè)計初期采用CFD（計算流體力學(xué)）進(jìn)行數(shù)值模擬分析，該方法克服了以上方法的局限性。本文通過ANSYS 軟件中FLUENT模塊對所建立的車身模型進(jìn)行三維流場分析，驗證賽車車身的空氣動力學(xué)性能。

5.1 車身模型的導(dǎo)入

在軟件中模擬在風(fēng)洞中的真實情況，需要足夠的計算域，為了在ANSYS中處理方便，選擇在UG軟件中建立車前3倍車長，車后7倍車長，上方5倍車高，左右各5倍車寬的區(qū)域作為計算域，并對車身模型做了一定的優(yōu)化處理。車身三維模型增加了人體模型和四個車輪模型，使模型更好的與實際情況相符合，前處理工作完成后將模型導(dǎo)入ANSYS中[3]。

5.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的質(zhì)量決定了最終求解的可靠性，由于曲面的復(fù)雜性，選擇采用四面體網(wǎng)格，在側(cè)箱與車身相連接等處曲率變化較大，選用比較小的網(wǎng)格，在前臉等曲面較大的地方，用加大的網(wǎng)格，來保證網(wǎng)格的質(zhì)量。在ANSYS中選用ICEM模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分網(wǎng)格數(shù)為1284018個，節(jié)點數(shù)為297043個。

5.3 邊界條件的設(shè)置與求解

在仿真分析時選用FLUENT模塊，選擇使用k-ε湍流模型，速度入口選擇為20m/s,設(shè)置壓力出口，選擇車身表面為無滑移面，左右側(cè)面和計算域上表面設(shè)置為自由滑移面，選擇迭代步數(shù)為1000步進(jìn)行求解。

5.4 流體分析結(jié)果分析

將在fluent模塊中得到的求解結(jié)果導(dǎo)入后處理模塊可以得到車身周圍壓力分布云圖和車身周圍流線分布圖如圖4和圖5所示。

從圖4和5可以看出在車頭部和車輪前部以及人體模型前部收到較大壓力，這與實際情況相符合，在車身除車頭部位外壓力分布較為平順，從圖5可以看出在車身附近未發(fā)現(xiàn)空氣分離現(xiàn)象。分析結(jié)果顯示在給定20m/s時，車身阻力117.9N，升力 160.1N，迎風(fēng)面積1.267㎡，阻力系數(shù)為-0.525，升力系數(shù)為0.592。

6　結(jié)論

以大學(xué)生方程式賽車車架建立車身模型，應(yīng)用ANSYS軟件對建立的車身模型進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果顯示：

（1）阻力系數(shù)為0.525，與乘用車的阻力系數(shù)相比較，顯然比較大，但乘用車為封閉式車身，可以取得較好的減阻效果，大學(xué)生方程式賽車為開放式車身阻力系數(shù)會略高于乘用車水平。

（2）從壓力云圖和流線圖可以看出車身周圍并沒有出現(xiàn)明顯的流體分離現(xiàn)象，減少了空氣阻力的產(chǎn)生，但由于賽車開放式車身的特殊性，車身尾部無法得到有效的車身覆蓋，出現(xiàn)了明顯地渦流現(xiàn)象增大了車身的阻力。

參考文獻(xiàn)：

[1]施鋼.基于UG的大客車車身骨架的快速三維建模[J].電子科學(xué)，2008(02):33-34.

[2]趙波，屠建中.基于空氣動力學(xué)的車身造型設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2011(07):48-50.

[3]蘇文慧.汽車車身設(shè)計及其外圍流場的數(shù)值模擬[D].大連：大連理工大學(xué)，2005.

作者簡介：馬健(1992-)，男，江蘇南京人，本科，車輛工程專業(yè)。