基于仿生學的汽車車身結構研究

王文龍，馬洪新

（德州學院汽車工程學院，山東德州253023）

基于仿生學的汽車車身結構研究

王文龍，馬洪新

（德州學院汽車工程學院，山東德州253023）

仿生學作為一門傳統學科，其理念已廣泛應用于汽車及航空外形結構設計，在整車設計中，仿生結構的運用通常是為了減少風阻，降低汽車油耗以達到節約成本的作用。通過在傳統汽車尾部添加具有仿生結構的擾流板和非光滑棱紋并對其進行CFD仿真實驗，分別從空氣流量分配、最大壓力變化和汽車升/阻系數三方面驗證了具有仿生結構的汽車與傳統汽車相比具有良好的減阻增穩效果。

汽車；仿生學；汽車減阻

仿生學是對生物的結構、功能和形態進行研究并運用到設備設計中的一門學科，自然界物競天擇的規律及選擇機制創造出更適應環境的體型及功能，早期的風箏及飛機就是對鳥類形態和功能的模仿。如今汽車行業飛速發展，仿生學在汽車設計中的運用已屢見不鮮，早期的大眾“甲殼蟲”就是模仿了甲殼蟲外形，鷗翼式車門的設計則模仿了鳥類翅膀，但仿生汽車減阻性能在國內鮮有研究[1-2]。本文運用流體力學數值分析（CFD）[3]，模擬車輛仿生結構，分析了其減阻和穩定性機理，為車輛仿生工程的研究和應用提供了理論依據。

1 汽車模型建立

為增加仿真精度，采用與原有汽車1：1的仿真模型分別對傳統汽車和添加仿生結構汽車進行建模，考慮到汽車結構復雜性，對汽車模型結構進行簡化，建模過程中忽略了雨刷、后視鏡等細微結構，仿生結構模型在后窗與箱蓋設計中采用了擾流板和棱紋型仿生結構。最終得到的汽車仿真結構尺寸長、寬、高分別為4.2 m、1.5 m和1.3 m，添加仿生結構模型如圖1所示。

圖1 添加仿生結構模型

2 仿真及分析

在進行網格劃分時采用同樣的四面體與六面體網格相結合的方法對兩種類型汽車進行網格劃分，另外，對車輛尾部的結構進行網格細化。這樣可以減由網格問題帶來的計算誤差同時可以減少計算時間和計算誤差，在仿真計算中，要保證整個車身和輪胎表面的Y+值，以滿足計算的要求。最后確定整個計算域的網格劃分數量分別為30萬和30.1萬，采用汽車行駛速度為100 km/h對兩種類型汽車模型進行分析。

2.1 空氣流量分配分析

傳統和仿生汽車流經車身表面各部位的空氣流量比如圖2所示，由圖可知，汽車在高速行駛時，車身上部流過的氣流量最大其次分別為車身側方和車身底部，添加仿生結構的汽車車身上部氣流明顯小于原有汽車，車身側方和車身底部氣流量高于原有汽車，帶有仿生結構的車身整體氣流量減小，降低了車身阻力[4]，通過進一步計算發現：汽車車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%，壓差的降低增強了汽車行駛中的穩定性[5]。

圖2 車身表面氣流分配圖

2.2 汽車縱向壓力云圖分析

傳統汽車與帶有仿生結構汽車縱向總壓力云圖如圖3所示，由圖可知：傳統汽車尾部總壓流沿原光滑體表面流動時，在車身尾部失去了邊界限制，形成了一個負壓力區。隨著汽車尾部距離增加，大尺度的渦流不斷分裂，反向流動區域變小，直至交匯形成大的壓力區，帶有仿生結構的汽車，由于汽車擾流板的作用，在低流量更多的汽車底部被吸引到尾部，從而增加了汽車受力面積，降低渦流集中力；同時，仿生行李箱蓋進一步減少了尾氣的流量，在尾巴上的旋渦，形成一個對稱的上、下渦旋區，減少了高速氣流的內、外部流速。

圖3 汽車縱向壓力對比云圖

2.3 升/阻系數對比分析

汽車在高速行駛中往往會因為升/阻系數增大而減少其行駛穩定性，汽車升/阻系數比公式為：

△C=（Cx-Cm）/Cm×100%[6]

其中：Cx為添加仿真結構的汽車升力或阻力系數；Cm為不帶仿真結構汽車升力或阻力系數。

通過仿真實驗可得兩種汽車在時速100 km/h時升力系數和阻力系數值并計算出升/阻系數比如表1所示。由表1可知，帶有仿生結構的汽車以100 km/h速度行駛時與原有汽車相比升力系數下降0.08，阻力系數下降0.03，升/阻系數比均大幅下降，下降比例分別為-53.3%和-33.3%，這樣可保證汽車在高速行駛時，后輪具有強附著力，提高了汽車可操作性。

表1 兩種汽車升/阻系數

3 結束語

本文分別對傳統汽車和帶有仿生結構的汽車進行仿真分析，從空氣流量分配、最大壓力變化和汽車升/阻系數三方面對仿生結構減阻效果進行對比分析，結果表明添加仿生結構的汽車車身氣流和上、下壓差明顯降低，汽車所受最大力減小并且有提高升力系數降低阻力系數的效果，仿真表明帶有仿生結構的汽車具有明顯降低汽車風阻的作用。

[1]王謙.仿生學在汽車造型設計中的應用[J].赤峰學院學報（自然科學版），2014（13）：91-92.

[2]馬春陽，周偉，楊林鋒.仿生學方法在汽車設計上的應用[J].科技創新與生產力，2013（01）：78-80.

[3]張楠.計算流體力學軟件在汽車氣動問題研究中的應用[J].重慶電子工程職業學院學報，2011（02）：125-127

[4]田紅旗.中國高速軌道交通空氣動力學研究進展及發展思考[J].中國工程科學，2015（04）：30-41.

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

[6]李志國，朱鵬程，李鋒.小展弦比機翼低雷諾數升阻特性試驗研究[J].流體力學實驗與測量，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，山東省墾利區人，本科，研究方向為汽車服務工程。