基于空氣動力學分析的A柱結構優化設計

曹升平，楊小弟

（江蘇敏安電動汽車有限公司，江蘇 南京210000）

0 前言

目前轎車的風阻系數一般在0.28～0.4之間，SUV車型風阻系數因受造型限制，一般在0.33以上。

隨著國內越來越嚴苛的排放法規要求和客戶的舒適性需求，國內汽車企業在性能開發中也越來越關注燃油消耗率和NVH性能。而且隨著計算機技術的發展，越來越多的汽車分析軟件被引入到自主品牌汽車企業車型開發過程中，并且起到很重要的作用，空氣動力學分析就是其中之一。上個世紀80年代開始，歐美主機廠開始將CFD應用于汽車設計過程中。近年來開始采取不同的湍流模型模擬氣流分離流動，通過汽車空氣動力外形設計，光順汽車外形，調整甚至消除流動分離和渦流的產生。國內對汽車空氣動力學的研究上的起步比較晚，上個世紀末才開始引入研究，到近幾年自主車企才開始在車身外造型優化中應用，由于算法及精度問題，對造型的優選，以及局部細節結構的優化評估，還主要是在定性對比階段[1-5]。

本文以車身A柱結構形式的設計為例，介紹了在汽車造型階段，通過對局部工程結構形式的優化，在滿足車身剛強度、安全要求以及視野法規要求的前提下實現CFD模流分析中風阻系數和車身外表面空氣湍流更小的造型形式，從而達到提高燃油效率，提升整車的舒適性、操控性，提升產品的市場競爭力的目的。

1 造型分析

當前車型造型通過油泥模型試驗測試，風阻系數為0.362，與目標定義0.34任有較大差距，需通過分析找出造型優化方案以進一步減小風阻系數。

將造型CAD模型導入HyperMesh中進行處理，通過汽車外流場CFD分析，從分析結果中找出氣流分離區及渦流區域，并使用網格處理來實現模型修改，找出通過局部優化提升性能的建議方案。

從分析結果的可視化圖形中（圖1）能看到造型現有方案在A柱處氣流過早分離，導致在A柱后方的側門玻璃上湍流載荷和聲波載荷集中，增大能量損耗，不利于控制氣動阻力和氣動噪聲。

圖1 湍流載荷

2 A柱局部優化建議

針對A柱氣流分離進行模型修改分析，發現通過將A柱靠近前風擋玻璃處平面加寬，可以延遲氣流分離，減小分離區。圖2是截面加寬5 mm示意。

圖2 A柱截面加寬5mm

同時在A柱與前風擋的邊界增加氣流導槽，如圖3所示，優化氣流在A柱分離點位置，可降低側門玻璃的氣動噪聲。

為證實這一設想，她利用CRISPR/Cas9基因編輯技術，敲除該基因編碼區，被破壞掉編碼區的ZmGRP1就無法正常表達。將經過此處理的植株和正常植株進行比對，發現有一千多個基因的可變剪接受到影響。ZmGRP1就如司令官指揮千軍萬馬一般，調控著這些基因的可變剪接。

圖3 A柱斷面增加導槽

3 工程可行性分析

根據造型更改建議方案，工程分析結構可行性。

3.1 A柱加寬5 mm

對A柱加寬進行斷面分析：車身A柱平面向車內增加5 mm，從而使車身A柱與前風擋分縫線向車內方向也移動5 mm，玻璃涂膠空間不變，導致玻璃黑邊也需要向車內方向移動5 mm。從工藝角度和剛強度上考慮都可行，但是A柱加寬后會影響視野障礙角，從A柱障礙角校核斷面上可以看到黑邊向車內移動5 mm后，導致障礙角角度增大0.5°，如圖4所示。

圖4 A柱障礙角校核

3.2 A柱與前風擋的邊界增加氣流導槽

針對流場分析建議A柱與風擋之間增加氣流導槽結構進行分析，直接在側圍鈑金增加導槽結構主要影響側圍外板沖壓工藝，經沖壓工藝分析，增加導槽結構導致模具整形工序結構強度不足，壓料力不足，會引起側圍外板A面品質問題；整形斜鍥回退空間不足，回退過程與零件干涉，同時因為此處側圍外板會出現負角，需要二次整形，原有工序中無法在此處增加一次整形，需要增加單獨一序整形，導致無法適應沖壓車間自動化線生產，自動化線要求零件四/五序化生產。

綜上分析，直接將車身A柱截面寬度增加并增加導槽的結構不可行。

結合市場中競品車型對比分析，可采用如奧迪A3類似結構，在風擋玻璃增加側裝飾條的方案達到此效果。裝飾條可通過注塑成型，滿足導槽截面要求，同時裝飾條可布置在玻璃黑邊范圍內，不僅可以不增大A柱障礙角，還可以從車外遮擋風擋黑邊，從外觀上減小了玻璃黑邊區域。

通過結構可行性分析，選擇通過增加前風窗裝飾條的方案進行后續分析。

4 工程結構設計

增加風窗裝飾條需要車身提供安裝固定結構，可采用車身焊接安裝支架、車身鉚接安裝支架、車身植焊T形釘等方式實現。

4.1 車身焊接安裝支架

如圖5結構所示，車身側圍外板焊接金屬支架，風擋裝飾條通過卡接在金屬支架中。

圖5 車身焊接安裝支架結構示意

此結構在實現過程中焊接定位比較困難，定位夾具翻轉結構復雜，同時過程質量不好控制，側圍外板A柱腔體較小，焊鉗容易與側圍外板外觀面出現磕碰損傷。

4.2 車身鉚接安裝支架

如圖6所示，在車身側圍外板上通過鉚接工藝增加裝飾條安裝支架，裝飾條卡接在安裝支架中。

圖6 車身鉚接安裝支架結構示意

鉚接直接方案能有效規避焊接支架方案的風險問題，但是鉚接需要在側圍外板的側面增加鉚接孔，沖壓分析需要在增加工序，無法滿足五序化生產，同時模具結構復雜，斜鍥實現困難，且沖孔落料滑落不穩，除此之外模具強度也存在風險。

4.3 車身植焊T形釘

如圖7所示，側圍外板植焊T形釘，風擋裝飾條通過卡接在T形釘上。

圖7 側圍外板植焊T形釘結構示意

此方案需避免安裝后出現晃動量大的問題。

綜合對比分析車身焊接支架、車身鉚接支架、植焊T形釘等方案的工藝實現難度及后續質量控制，最終選擇工藝更容易實現的車身植焊T形釘方案來提供A柱裝飾條安裝，外觀結構如圖8所示。

圖8 A柱結構外觀圖

對最終A柱裝飾條方案進行CAE仿真分析，驗證最終方案對風阻及風噪的改善效果。圖9是增加A柱裝飾條前后氣流在A柱的分流區變化，左側為未增加A柱裝飾條的狀態，右側為增加A柱裝飾條的狀態，對比更改前后風阻系數減少0.002 5。

圖9 A柱氣流分流區示意圖

圖10 為有無A柱裝飾條的內部頻譜對比曲線。從分析曲線可以看到，增加A柱裝飾條，優化氣流在A柱的分離，可以將聲壓級降低2～3 dBA。

圖10 有無A柱裝飾條內部頻譜對比

5 結束語

空氣動力學分析在汽車開發過程中越來越多的被主機廠引入，并在造型階段通過CFD分析，以降低風阻和減小風噪等為出發點，為造型提供優化建議，工程結構應在滿足其他功能、性能的前提下，盡可能的從結構上實現工藝可行的方案，以達到市場越來越高的燃油經濟性、NVH舒適性、穩定操控性要求。