基于外部流場的汽車底部結構優化設計

李勝琴　趙銀寶　馮新園

摘要：以某款純電動汽車為例，利用有限元方法對汽車外流場進行計算、分析及優化設計。依據汽車外形結構特點及尺寸，建立汽車有限元模型及風洞模型，設定初始條件，進行汽車外部流場性能模擬分析，得出車輛底部速度分布云圖、壓力分布云圖及速度矢量圖，在此基礎上對汽車電池包及懸架結構進行優化，優化后汽車底部及后部湍流動能的消耗減小，改善了汽車動力性能。同時還對汽車優化前后各主要部件對風阻系數的影響進行對比分析，結果表明優化后整車風阻系數降低2.995%，整車能量消耗減小，動力性得到提高。

關鍵詞：電動車輛;底部結構;流場性能;風阻系數;優化設計

中圖分類號：U463.1文獻標識碼：A文章編號：1006-8023（2019）03-0100-07

Optimization Design of Vehicle Bottom Structure Based

on the Vehicle External Flow Field Performance

LI Shengqin， ZHAO Yinbao， FENG Xinyuan

（School of Traffic， Northeast Forestry University， Harbin 150040）

Abstract：The calculation， analysis and optimization design of an electric vehicle external flow field were proposed in the paper， using finite element method. The finite element models of vehicle and wind tunnel were carried out， and the initial conditions such as vehicle velocity and entrance pressure were set according to the shape and size of the vehicle， to simulate and analyze the velocity and pressure distribution of vehicle external flow field. The velocity distribution cloud map， pressure distribution cloud map and velocity vector map of vehicle bottom were obtained and analyzed， and then the optimization of vehicle battery pack and suspension structure was carried out. After optimization， the consumption of turbulent kinetic energy decreased at the bottom and rear of the vehicle， and the dynamic performance of vehicle was improved. At the same time， the influence of the main components on the drag coefficient before and after optimization was compared and analyzed， the results showed that the drag coefficient of the whole vehicle was reduced by 2.995%， and the energy consumption of the whole vehicle was reduced and the dynamic performance of vehicle was improved too.

Keywords：Electric vehicle; bottom structure; flow field performance; drag coefficient; optimization design

0引言

據統計，當車速超過100 km/h時，約80%的發動機動力用來克服汽車氣動阻力，氣動阻力的大小與車速的平方成正比，而克服空氣阻力消耗的功率則與車速三次方成正比，車速越高，風阻系數也越高[1-2]。試驗表明，風阻系數每降低10%，汽車可以節省燃油7%[3]。因此降低汽車的風阻系數，可有效改善汽車的燃油經濟性，提高動力性能。

20世紀20年代開始國外就已經將空氣動力學理論運用到汽車流體力學性能分析上，20世紀50年代末以后，許多汽車企業紛紛投入大量人力、物力和財力建立汽車風洞實驗室，用于汽車的空氣動力學特性進行分析，來研究汽車各種工況下的汽車風阻和升力、氣流的流動情況等[4]。20世紀60年代初，美國對汽車外形及其空氣動力特性之間的復雜關系進行了系統研究，汽車設計的局部優化獲得較大進步[5]。日本和歐美等發達國家對汽車空氣動力學的研究也得到了進一步的發展，深入地開展了空氣動力學與生產緊密結合的研究，實現了汽車的優化設計，提高了整車性能[6-7]。從20世紀80年代起，由于計算機技術和湍流理論的發展，計算流體力學（CFD）開始應用到汽車設計中。1997年，湖南大學的谷正氣和姜樂華等人介紹了空氣動力學在汽車氣動性能分析上的應用，給以后的汽車空氣動力特性的探究提供了重要理論指導[8]。2017年陳雷、王小碧等人對進氣格柵、后擾流板和汽車底部附件等進行優化，從而降低了整車風阻系數[9]。

汽車造型對氣動性能影響最大。車頭造型對氣動性能的影響因素主要有車頭邊角、車頭形狀、車頭高度、發動機罩和前風窗造型等;車身尾部造型對氣動阻力的影響因素主要有后風窗的斜度與三維曲率、尾部造型式樣、車尾高度和尾部橫向收縮;車身底部對氣動阻力的影響主要因素有車身底部離地高度、平整度、曲率和擾流器;適度地加寬輪胎對氣動阻力系數有利，但不宜過寬，存在一個最佳寬度。本文只針對汽車底部的平整度進行研究。

1汽車外流場的數值模擬

1.1幾何模型

本文針對某型純電動汽車，建立汽車幾何模型，用于分析汽車底部結構對汽車外部流場的影響。考慮本文主要分析汽車底部結構，在建立汽車模型時，對汽車底部的管道和線路等進行了簡化，主要考慮對汽車外流場影響較大的前后門、玻璃和前后保險杠結構。

整車模型是在汽車滿載的情況下分析的，模型對輪胎進行同樣的處理，與地面接觸的地方按照平面計算。

依據汽車外部幾何參數，建立幾何模型如圖1所示。

1.2風洞模型

本文采用的車身模型比例是1∶1，即實際尺寸大小。考慮到仿真域的阻塞問題，數值模擬對仿真域的大小有一定的要求。對于風洞試驗來講，一般要求汽車仿真域的阻塞比低于5%。根據這個理論，一般需要將計算域取為6倍車高，左右各取5倍車寬，這時的阻塞比為1%。

風洞模型的建立主要是為了定義汽車行駛過程中外部條件，例如空氣密度和壓力等，考慮到整車模型的尺寸（模型的長寬高：4.385 m × 1.82 m× 1.65 m），汽車的行駛速度（120 km/h），本文研究采用的風洞模型大小為40 m×12 m×10 m，其中風洞模型的長為汽車長的10倍，風洞模型的高和寬是汽車高和寬的6倍，如圖2所示。

將整車模型正前方的邊界定義為速度入口，設置為120 km/h;將汽車后方的邊界定義為壓力出口，使其與大氣壓強保持一致，設置為0 Pa;與車輪接觸的地板設置為移動，速度也是120 km/h，剩余的邊界設置為非滑移。

2汽車外流場的數值模擬

2.1有限元模型的建立

將汽車幾何模型導入有限元處理軟件ANSA中，進行封閉幾何處理，幾何表面的修補，一般包括門縫處表面封閉，螺栓孔的封閉，車身部件間隙的封閉等。然后按照不同尺寸要求畫好三角形面網格，對汽車阻力性能影響較小部件，網格密度減小，例如頂蓋、車門和玻璃等，而對汽車阻力性能影響較大部件，增加網格密度，例如后視鏡和門把手等，然后在STAR-CCM+環境中生成體網格。汽車有限元模型及流場性能分析有限元模型如圖3所示。

2.2邊界條件的設定

流體材料及物理性質設定為空氣在一個標準大氣壓下，溫度為25 ℃，空氣的動力粘度為1.855×10-5 Pa·s，空氣的密度為1.184 kg/m3。

流場性質設定為汽車的行駛速度遠遠小于聲音的傳播速度，因此空氣具有不可壓縮性，汽車附近的流動可以看做不隨時間變化的定常流動、恒溫流動和不可壓縮的三維流場。

湍流模型設定為采用K-Epsilon湍流模型。

2.3仿真結果及分析

將模型邊界條件設定完成后，設置模型的停止標準是指定最大步數4 000步，通過仿真可得到汽車在行駛過程中氣流、壓力和速度等的變化情況。仿真后，首先通過仿真結果（阻力系數、速度矢量圖和壓力分布云圖）來找到整車模型中渦流集中的區域、氣流在流動過程中受到的阻礙、壓力過于集中的地方，通過風阻系數的值可以得到各部件阻力系數占整車阻力系數的百分比，三種后處理圖可以直觀得到渦流集中區或氣流受阻區等;然后通過改變汽車底部結構來達到優化的效果。汽車的底部各種部件交錯，羅列復雜，就使得通過汽車底部的氣流更加紊亂，會形成強湍流區和各種復雜渦流，能量消耗增加，會增加整車的阻力系數。降低汽車底部的阻力系數對減小整車的阻力系數有較大幫助。

2.3.1流場分布

（1）速度分布云圖

當汽車的速度為120 km/h，在滿載狀態下的汽車對稱面速度分布云圖如圖4所示。

由圖4可以看出，速度的變化范圍是0～40 m/s。汽車在運動時，迎面而來的氣流，被前保險杠阻擋速度降低，一部分沿著前艙蓋、前擋風和頂蓋離開汽車，一部分經過進氣格柵，剩余的氣流經由汽車底部離開汽車。在汽車尾部區域，速度的顏色以藍色為主，氣流的速度明顯降低。

（2）速度矢量圖

速度矢量圖和速度云圖的區別，前者是矢量圖，后者是標量圖，速度分布大小是一致的，但速度矢量圖可以更清楚地觀察到氣流的流動情況。圖5是在汽車底部截取的速度矢量圖的一個水平面，可以清晰看到，進氣格柵后的氣流變化情況，前懸架附近存在兩個對稱的渦流，氣流在輪罩流向汽車外圍，最后流向汽車后方。

后懸架附近的流動情況更加復雜，這是由于該區域的零部件比較多，對氣流產生較大影響。流經汽車底部和頂蓋的氣流相遇向汽車后方流去。

（3）壓力分布云圖

圖6為壓力分布圖，可以直觀觀察到汽車底部的壓力分布情況，對分析氣流的流動情況具有參考價值。圖6中可以看出，整車模型中的下護板和前后車輪迎風部分受到的壓力最大，為100 Pa，這是由于氣流從汽車正前方來，前保險杠受到氣流的沖擊最大，位于駕駛艙下的電池包受到氣流的沖擊較小，電池包的壓力在-500～-50 Pa之間，這是由于氣流快速流過，帶走大量氣體，出現壓力為負的情況，整車模型后車輪之間的區域受到的壓力也為負，說明該區域受到氣流的沖擊比較小。

2.3.2汽車各部分對風阻系數的影響

空氣阻力系數又稱風阻系數，它的大小取決于汽車的外形。風阻系數是衡量一輛汽車受空氣阻力影響大小的一個標準[10]。風阻系數越小，說明汽車受到空氣阻力的影響越小。風阻系數是和油耗成正比的關系，風阻系數越低，油耗越低[11]。

汽車底部結構對阻力系數的影響占整車阻力系數的30%左右，僅次于車身，其次是輪胎、后視鏡和雨刮等。

汽車在行駛過程中，車身前方的氣流，由于車身的阻礙，一部分流向汽車底部，大部分沿著前機艙蓋和頂蓋流向車身后方，在車身前后會出現正壓區和負壓區，形成壓差阻力，增加整車的阻力系數;汽車的底部通常是高低不平，使得底部的氣流變得復雜，會形成強湍流區和各種復雜渦流，增加能量消耗，對減小整車阻力系數不利;輪胎在旋轉時，周圍的氣體因粘性會隨著車輪的旋轉而有切向的速度，車輪上半部分氣流繞車輪的切向速度分量與輪腔中前方氣流方向相反，導致車輪周圍的流場變得復雜，增大整車的阻力系數。

表1為通過仿真軟件得到的汽車各部件對風阻系數的影響。可以看出，車身風阻系數占整車風阻系數的61.982%，剩余的風阻系數占整車風阻系數的38.018%，其中車輪占18.894%，底盤部分的風阻系數占19.124%。表中車身包括前后保險杠、前后窗玻璃、側窗玻璃、頂蓋、后視鏡和前后燈等部件。

所以在車身等結構合理的情況下，可以考慮從汽車底部入手減少整車的風阻系數，比如減小底部零部件之間的高度差，令底部排列趨向平面從而優化底部平整度，減小汽車底部零部件的復雜程度從而減小氣流遇到的阻力，優化下護板和加裝導流板等措施梳理底部紊亂氣流。

3結構優化及優化結果

3.1結構優化

（1）優化電池包

電池包的初始模型底部是一個平面，通過改變電池包的結構來達到優化的效果，將電池包向地面延伸24.6 mm，優化結果如圖7所示，圖中紅色部分為電池包向地面延伸的部分。

（2）懸架優化

前懸架初始模型的橫梁在下護板的后方，優化后的模型前懸架的變化是將左右縱梁向前延伸213 mm，將前懸架的后橫梁的長增加10 mm，寬增加17 mm，高增加26.5 mm，將前懸架安裝支架的尺寸整體縮小10 mm。優化結果如圖8所示，前懸架的變化是將左右縱梁向前延伸，將前懸架的后橫梁變粗，安裝支架尺寸減小。

3.2優化結果

將優化后的整車建立汽車模型，利用原有的風洞模型，初始條件設置與優化前一致，滿載狀態下，汽車速度為120 km/h。因為要對比汽車底部風阻系數的變化，利用湍流動能分布云圖和湍流動能等值面圖可以更加直觀地觀察各處湍流動能的變化。前面沒有使用湍流動能分布云圖是因為湍流動能分布云圖主要體現湍流動能的消耗情況，通過初始和優化模型的對比可以明確看出優化部件的能量消耗。

如圖9和圖10所示，優化后的模型在電池包處的紅色區域比初始模型的區域更大，說明汽車在行駛過程中，電池包處的湍流動能更大，消耗的能量比初始模型中的多，這是由于電池包向地面延伸24.6 mm，導致流經電池包處的氣流受到的阻力更大，消耗的能量更多。模型優化前后，懸架部分的湍流動能變化不明顯。

圖11和圖12是湍流動能值為30 J/kg的等值面圖，可以更直觀的看到汽車尾部和底部的能量損失情況。通過觀察等值面的覆蓋面積大小可以得到能量損失的多少，面積越大，損失的能量越多。觀察優化后的模型，在電池包下方和汽車尾部的等值面都有所減小，所以這兩部分的能量損失也有所減小。

表2為優化前后車輛各部件對整車風阻系數的影響對比情況，由表2可以看到電池包的風阻系數增加了0.004，懸架的風阻系數沒變化，優化后的整車風阻系數下降了2.995%。汽車底部的氣流變化比較復雜，各部件之間相互存在影響，雖然電池包和懸架的阻力系數一增一平，但整車的阻力系數有所下降，亦表明優化后的模型達到研究目標。

4結論

本文通過仿真分析整車模型的阻力系數，提出通過優化汽車底部（電池包和前懸架）來減小整車模型的阻力系數的方案。

（1）通過對電池包和懸架結構進行優化，使得優化后整車模型的阻力系數減小0.013，降低了2.995%。

（2）優化后整車模型中，電池包處的湍流動能增加，消耗的能量比初始模型中的多;懸架部分的湍流動能變化不明顯，整車消耗能量降低，改善了車輛的動力性能。

（3）從優化后的整車模型中各部件對風阻系數的影響可以看出，車身和前輪等處的風阻系數降低，電池包和懸架處的風阻系數不變，但是整車阻力系數減小，有利于車輛動力性能的改善。

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