基于空氣動力學汽車車身優化改進研究

劉惠超 孫悅 鄒倩

摘要：與原有的車身造型研發技術進行對比，建立在空氣動力學基礎上的車身造型研發方式具有更加明顯的汽車節能性與環保性優勢。并且，汽車造型工藝以及空氣動力學的基本原理之間具有內在聯系。基于整車參數建立車身和風洞的三維模型并進行網格劃分，建立車身空氣動力學的有限元模型。采用k-ε湍流模型，利用耦合式求解器對車身進行外流場的仿真分析，得出影響車身外流場的汽車結構性能參數.對影響車身氣動性變化的結構因素進行仿真分析，并以此為依據對原始車身模型進行氣動造型優化.對改進的車身進行仿真分析，結果顯示氣動阻力和氣動升力都有所降低，驗證改進方法的有效性，為汽車車身的優化研究提供新的參考方法。

關鍵詞：汽車車身;氣動阻力;氣動升力;優化

中圖分類號：U463.82? ? ? ?文獻標志碼：A

1 研究背景

作為汽車的重要組成部分，汽車車身一直都是汽車開發的重點.而汽車的動力性、燃料經濟性與操縱穩定性都受到氣動力的影響.因此，汽車空氣動力學越發受到重視，如何獲得擁有良好氣動性的汽車車身也成為現代汽車工業中的重要課題，而汽車外流場分析則是對汽車車身進行氣動造型優化的重要途徑[1]。

汽車在高速行駛時，氣動阻力在行駛總阻力中占了很大的比例，因此降低汽車車身的氣動阻力系數是很有必要的.較低的氣動阻力系數能夠降低汽車的氣動阻力，有效提升汽車的動力性并且減少其燃油消耗和廢氣排放量.汽車行駛中由于上部與底部氣流速度差產生的氣動升力減小了汽車的抓地力，使得汽車“發飄”，影響了汽車的操縱穩定性，這就需要減小汽車的氣動升力系數.除此之外，合理的汽車氣動布局也能夠改善汽車高速行駛時的操作穩定性。

2 汽車外流場仿真分析

2.1車身和風洞的仿真模型建立

整車性能參數見表1.

由于車身的對稱性，為提高計算的效率，采用一半車身進行分析，以此來降低計算量并節約時間。

原車模型由于存在多個曲面與細小部件，會給網格劃分帶來難度，并且使得網格質量下降，計算時難以收斂.因此建模過程中，用光滑的曲面來替代進氣格柵;汽車的車底簡化為光滑曲面;去除車身的細小部件，如車門手柄，雨刮器等;車身細小縫隙用光滑曲面填平;車輪用簡單圓柱體來替代，并在輪胎與地面接觸的地方建立臺階，以此模仿輪胎承重變形，防止輪胎面與地面的網格距離過近而無法生成正確的邊界層[2]。

進行車身外流場分析時，需要在汽車車身外面建立一個模擬風洞，通常模擬風洞模型為長方體，風洞頂部距車頂為3倍車高，側壁距車身3倍車寬，氣流入口距車頭3倍車長，氣流出口距車尾6倍車長.風洞尺寸取長44.3m，寬6.174m，高5.64m，并且將壁面與車身相交處進行分割處理。

2.2車身風洞的建立

有將風洞3D模型導入到ANSYS中，進行網格劃分，汽車車身外面的空氣即風洞和車身之間部分的體積需要進行網格劃分.本文將車身模型分為前臉、發動機罩、前窗及車頂、后窗、側窗、行李箱頂面、車身和輪胎、車尾和后視鏡等9個部分，并根據各個部分的最小特征尺寸來構建面網格.然后進行邊界層網格拉伸與體網格填充，車身表面邊界層網格設置為4層，初始層厚度設置為0.2 mm，增長率設為1.2，然后進行體網格填充，最后得到整體網格數量為1346227?

3 汽車結構參數對氣動力的影響分析

根據上述分析，汽車車身的主要承壓地方為前臉、后視鏡、發動機罩與前窗相交處和后窗與行李箱頂面相交處，3個主要渦流區分別位于發動機罩與前窗相交處、后窗與行李箱頂面相交處和車尾后部.其中，后視鏡作為汽車配件不便于修改，而其余8個特征地方都可以作為車身造型的優化方向。

特征優化需要保證汽車的總布置不受到影響，并且基本造型不發生變化.因此，只對分析的8個特征進行小范圍的修改來進行分析優化.本次分析為單因素分析，分別對各個特征尺寸進行上下調整，然后進行仿真分析，共計需要進行16次仿真.為了方便統計，給各特征進行編號.各個特征尺寸的編號及其變化量見表3[5]。

根據表3的特征變化量，對二維模型進行修改，將其導入Fluent進行仿真運算，求解參數得到氣動阻力和氣動升力的仿真結果。

4、優化前后的對比分析

將優化后的車身模型，進行網格劃分，導入Fluent進行仿真運算，邊界條件和求解參數與原始模型相同，得到仿真結果。

可以看出，該汽車車身的主要承壓地方為前臉、后視鏡、發動機罩與前窗相交處和后窗與行李箱頂面相交處.這有可能是因為氣流在運動中遇到了突出的阻擋物，運動方向突然改變所導致.對于車身的優化可以從這些方面改進。

氣流在汽車前臉處分離成兩部分，上部氣流經過發動機罩，在轉向前窗時受到阻力影響降低速度形成分離區，然后在發動機罩與前窗交點上方結合并流向車頂.此時，氣流流速達到最大值.氣流在后窗渡到行李箱頂面時再次分離，形成低速分離區，然后流過車尾并與車身分離，在車尾后部形成最大渦流.而下部氣流經過汽車底盤在車尾處與汽車分離。

降低氣動升力系數的方案有增加車頭底部斜度、減少車身前窗傾角、減少車身后窗傾角、升高行李箱高度、增加車尾底部斜度、增加或減少車身頂部圓角上撓系數和增加或減少離地間隙等，其中，最有效的優化方案為增加車尾底部斜度。

通過仿真可知，為提高車身的動力性能，可在降低氣動阻力系數的同時降低氣動升力系數，并采用增加車頭底部斜度、增加車尾底部斜度、增加車身頂部圓角上撓系數和增加離地間隙的方案.但是增加離地間隙會減少汽車內部空間，降低駕駛員與乘客的舒適度，因此汽車車身最后的優化方案選擇為增加車頭底部斜度、增加車尾底部斜度、增加車身頂部圓角上撓系數。

結束語

本文基于空氣動力學對汽車車身造型進行了優化設計.首先，通過車身和風洞的三維模型，利用Fluent求解器對原始車身模型以及局部特征修改模型進行了模擬仿真，找出原始車身模型的氣動造型優化方案，即車頭底部斜度5°、車尾底部斜度為11°和車身頂部撓度系數為0.028.將優化模型與原始模型做氣動性比較，優化模型的氣動阻力系數下降了1.83%，氣動升力系數下降了12.8919%。

參考文獻

[1]基于流場分析的低速電動汽車車身優化設計[J].霍倩，馬志凱，趙曉順，趙樹朋.農業裝備與車輛工程.2017（04）

[2]轎車車身空氣動力穩定性分析及結構優化設計[J].田原嫄，洪海涵.拖拉機與農用運輸車.2015（01）