基于仿生學(xué)的汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)研究

王文龍，馬洪新

（德州學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院，山東德州253023）

基于仿生學(xué)的汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)研究

王文龍，馬洪新

（德州學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院，山東德州253023）

仿生學(xué)作為一門(mén)傳統(tǒng)學(xué)科，其理念已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)及航空外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在整車(chē)設(shè)計(jì)中，仿生結(jié)構(gòu)的運(yùn)用通常是為了減少風(fēng)阻，降低汽車(chē)油耗以達(dá)到節(jié)約成本的作用。通過(guò)在傳統(tǒng)汽車(chē)尾部添加具有仿生結(jié)構(gòu)的擾流板和非光滑棱紋并對(duì)其進(jìn)行CFD仿真實(shí)驗(yàn)，分別從空氣流量分配、最大壓力變化和汽車(chē)升/阻系數(shù)三方面驗(yàn)證了具有仿生結(jié)構(gòu)的汽車(chē)與傳統(tǒng)汽車(chē)相比具有良好的減阻增穩(wěn)效果。

汽車(chē)；仿生學(xué)；汽車(chē)減阻

仿生學(xué)是對(duì)生物的結(jié)構(gòu)、功能和形態(tài)進(jìn)行研究并運(yùn)用到設(shè)備設(shè)計(jì)中的一門(mén)學(xué)科，自然界物競(jìng)天擇的規(guī)律及選擇機(jī)制創(chuàng)造出更適應(yīng)環(huán)境的體型及功能，早期的風(fēng)箏及飛機(jī)就是對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)形態(tài)和功能的模仿。如今汽車(chē)行業(yè)飛速發(fā)展，仿生學(xué)在汽車(chē)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用已屢見(jiàn)不鮮，早期的大眾“甲殼蟲(chóng)”就是模仿了甲殼蟲(chóng)外形，鷗翼式車(chē)門(mén)的設(shè)計(jì)則模仿了鳥(niǎo)類(lèi)翅膀，但仿生汽車(chē)減阻性能在國(guó)內(nèi)鮮有研究[1-2]。本文運(yùn)用流體力學(xué)數(shù)值分析（CFD）[3]，模擬車(chē)輛仿生結(jié)構(gòu)，分析了其減阻和穩(wěn)定性機(jī)理，為車(chē)輛仿生工程的研究和應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

1 汽車(chē)模型建立

為增加仿真精度，采用與原有汽車(chē)1：1的仿真模型分別對(duì)傳統(tǒng)汽車(chē)和添加仿生結(jié)構(gòu)汽車(chē)進(jìn)行建模，考慮到汽車(chē)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，對(duì)汽車(chē)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，建模過(guò)程中忽略了雨刷、后視鏡等細(xì)微結(jié)構(gòu)，仿生結(jié)構(gòu)模型在后窗與箱蓋設(shè)計(jì)中采用了擾流板和棱紋型仿生結(jié)構(gòu)。最終得到的汽車(chē)仿真結(jié)構(gòu)尺寸長(zhǎng)、寬、高分別為4.2 m、1.5 m和1.3 m，添加仿生結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 添加仿生結(jié)構(gòu)模型

2 仿真及分析

在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)采用同樣的四面體與六面體網(wǎng)格相結(jié)合的方法對(duì)兩種類(lèi)型汽車(chē)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，另外，對(duì)車(chē)輛尾部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。這樣可以減由網(wǎng)格問(wèn)題帶來(lái)的計(jì)算誤差同時(shí)可以減少計(jì)算時(shí)間和計(jì)算誤差，在仿真計(jì)算中，要保證整個(gè)車(chē)身和輪胎表面的Y+值，以滿足計(jì)算的要求。最后確定整個(gè)計(jì)算域的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量分別為30萬(wàn)和30.1萬(wàn)，采用汽車(chē)行駛速度為100 km/h對(duì)兩種類(lèi)型汽車(chē)模型進(jìn)行分析。

2.1 空氣流量分配分析

傳統(tǒng)和仿生汽車(chē)流經(jīng)車(chē)身表面各部位的空氣流量比如圖2所示，由圖可知，汽車(chē)在高速行駛時(shí)，車(chē)身上部流過(guò)的氣流量最大其次分別為車(chē)身側(cè)方和車(chē)身底部，添加仿生結(jié)構(gòu)的汽車(chē)車(chē)身上部氣流明顯小于原有汽車(chē)，車(chē)身側(cè)方和車(chē)身底部氣流量高于原有汽車(chē)，帶有仿生結(jié)構(gòu)的車(chē)身整體氣流量減小，降低了車(chē)身阻力[4]，通過(guò)進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)：汽車(chē)車(chē)身上部和下部的流速差從5.3 m/s下降到4.8 m/s，下降了9.4%，壓差的降低增強(qiáng)了汽車(chē)行駛中的穩(wěn)定性[5]。

圖2 車(chē)身表面氣流分配圖

2.2 汽車(chē)縱向壓力云圖分析

傳統(tǒng)汽車(chē)與帶有仿生結(jié)構(gòu)汽車(chē)縱向總壓力云圖如圖3所示，由圖可知：傳統(tǒng)汽車(chē)尾部總壓流沿原光滑體表面流動(dòng)時(shí)，在車(chē)身尾部失去了邊界限制，形成了一個(gè)負(fù)壓力區(qū)。隨著汽車(chē)尾部距離增加，大尺度的渦流不斷分裂，反向流動(dòng)區(qū)域變小，直至交匯形成大的壓力區(qū)，帶有仿生結(jié)構(gòu)的汽車(chē)，由于汽車(chē)擾流板的作用，在低流量更多的汽車(chē)底部被吸引到尾部，從而增加了汽車(chē)受力面積，降低渦流集中力；同時(shí)，仿生行李箱蓋進(jìn)一步減少了尾氣的流量，在尾巴上的旋渦，形成一個(gè)對(duì)稱(chēng)的上、下渦旋區(qū)，減少了高速氣流的內(nèi)、外部流速。

圖3 汽車(chē)縱向壓力對(duì)比云圖

2.3 升/阻系數(shù)對(duì)比分析

汽車(chē)在高速行駛中往往會(huì)因?yàn)樯?阻系數(shù)增大而減少其行駛穩(wěn)定性，汽車(chē)升/阻系數(shù)比公式為：

△C=（Cx-Cm）/Cm×100%[6]

其中：Cx為添加仿真結(jié)構(gòu)的汽車(chē)升力或阻力系數(shù)；Cm為不帶仿真結(jié)構(gòu)汽車(chē)升力或阻力系數(shù)。

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可得兩種汽車(chē)在時(shí)速100 km/h時(shí)升力系數(shù)和阻力系數(shù)值并計(jì)算出升/阻系數(shù)比如表1所示。由表1可知，帶有仿生結(jié)構(gòu)的汽車(chē)以100 km/h速度行駛時(shí)與原有汽車(chē)相比升力系數(shù)下降0.08，阻力系數(shù)下降0.03，升/阻系數(shù)比均大幅下降，下降比例分別為-53.3%和-33.3%，這樣可保證汽車(chē)在高速行駛時(shí)，后輪具有強(qiáng)附著力，提高了汽車(chē)可操作性。

表1 兩種汽車(chē)升/阻系數(shù)

3 結(jié)束語(yǔ)

本文分別對(duì)傳統(tǒng)汽車(chē)和帶有仿生結(jié)構(gòu)的汽車(chē)進(jìn)行仿真分析，從空氣流量分配、最大壓力變化和汽車(chē)升/阻系數(shù)三方面對(duì)仿生結(jié)構(gòu)減阻效果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明添加仿生結(jié)構(gòu)的汽車(chē)車(chē)身氣流和上、下壓差明顯降低，汽車(chē)所受最大力減小并且有提高升力系數(shù)降低阻力系數(shù)的效果，仿真表明帶有仿生結(jié)構(gòu)的汽車(chē)具有明顯降低汽車(chē)風(fēng)阻的作用。

[1]王謙.仿生學(xué)在汽車(chē)造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014（13）：91-92.

[2]馬春陽(yáng)，周偉，楊林鋒.仿生學(xué)方法在汽車(chē)設(shè)計(jì)上的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力，2013（01）：78-80.

[3]張楠.計(jì)算流體力學(xué)軟件在汽車(chē)氣動(dòng)問(wèn)題研究中的應(yīng)用[J].重慶電子工程職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（02）：125-127

[4]田紅旗.中國(guó)高速軌道交通空氣動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展及發(fā)展思考[J].中國(guó)工程科學(xué)，2015（04）：30-41.

[5]吳煒，高慧翔，彭金龍.城市快速軌道交通空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)問(wèn)題探討[J].都市快軌交通，2011（02）：63-67.

[6]李志國(guó)，朱鵬程，李鋒.小展弦比機(jī)翼低雷諾數(shù)升阻特性試驗(yàn)研究[J].流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)與測(cè)量，2004（04）：78-82.

The Car Body Structure Based on Bionics Research

WANG Wen-long，MA Hong-xin

（School of Automotive Engineering，Dezhou University，Dezhou Shandong 253023，China）

As a traditional subject of bionics，the idea has been widely used in automobile and aviation shape structural design，in vehicle design，the use of the bionic structure is usually in order to reduce the wind resistance，reduce automobile fuel consumption in order to achieve cost savings.Based on traditional automobile tail add spoiler of bionic structure and nonsmooth ribbed experiment and CFD simulation，respectively from the air flow distribution，the maximum pressure changes and car l/verify the resistance coefficient of three aspects with the bionic structure car compared with the traditional vehicle has good drag reduction stabilization effect.

automobile；bionics；car drag reduction

U466

：A

：1672-545X（2017）01-0059-03

2016-10-11

王文龍（1994-），男，山東省墾利區(qū)人，本科，研究方向?yàn)槠?chē)服務(wù)工程。