基于一種新型模具的節能車車身的設計分析與制作＊

莊劍威，陳瑞欣，黃文杰，陳慶尚，梁觀豪

（肇慶學院，廣東 肇慶 526061）

前言

隨著我國汽車工業的迅速發展，中國汽車產銷量已經連續多年雄踞世界第一。數以億計的汽車行駛在我國的東南西北，推動著國家經濟發展與繁榮富強。汽車的行駛造成大量碳排放，在強調“綠水青山就是金山銀山“的時代背景下，由本田汽車公司舉辦的”HONDA中國節能競技大賽“成為越來越多大學生們探尋節能極致，倡導綠色發展的重要平臺[1]。

作為節能車的重要組成部分—車身的設計制造一直是節能賽車的核心重難點之一。好的車身能夠有效地減小行駛風阻與提供車手一個良好的駕駛環境，設計不佳或者工藝不足則可能會適得其反。車身的設計制造過程中，需要耗費大量的時間和金錢，對于許多學生創新活動來說，這是一個不小的考驗。本文以肇慶學院節能車隊三代節能車研發，五種車身的設計制造經驗為基礎，介紹在最有限的經費內完成對車身的最優設計和最小誤差的制造方式。

1 車身設計與分析

1.1 理論設計

氣動阻力是影響節能車的節能性能的重要因素。由空氣動力學的基本理論可知，設計一臺低阻力的節能車可以從降低迎風面積和降低氣動阻力系數這兩個方面開始進行。

降低節能車迎風面積，則需要盡可能地減少車身正面投影形狀的寬度和高度。以目前賽場上流行的倒三輪布局的節能車為例，在前輪被包圍在車身內的情況之下，影響迎風面積最大的因素在前輪輪距、前輪輪輞的大小和車手的駕駛姿勢。對于倒三輪布局的節能車，其車身最寬處出現在前軸所在的位置，在保證節能車有足夠的轉向角以及車手有足夠的腿部空間的前提下，應盡可能地縮短前軸輪距，以降低車身的寬度；選用較小尺寸的前輪可降低車身兩側的高度；車身的最高點出現在車手頭部的上方，車手的駕駛姿勢越接近于平躺，車身的高度則越低。

降低氣動阻力系數的設計，在汽車空氣動力學的理論上，氣動阻力系數是一個與車身外形形狀有關，與形狀大小和來流速度無關的無量綱數。優化車身形狀的設計是降低氣動阻力系數的關鍵所在。低氣動阻力系數的節能車車身具有以下特點：全車身采用流線型化的“鈍體”設計；底盤平整，表面光滑且無突出；上下車身接合處縫隙小、車輪封閉在車身內且左右對稱等[2]。

1.2 結構設計

首先在 Catia零件設計模塊，完成對車架、車輪、轉向機構等能對車身尺寸產生影響的結構的建模。車架的關鍵尺寸如表1所示。其次，將車手的資料導入人機工程模塊中并根據實際的駕駛姿勢調整車手模型的動作姿態，從而建立了底盤-車手模型。待建立底盤-車手模型后，使用Freestyle模塊繪制出的帶有一定曲率、符合空氣動力學要求且盡量減小表面積的車身外形，最終組成底盤-車手-車身模型。如圖 1所示：

表1 肇慶學院2019年節能車底盤參數（單位：mm）

圖1 底盤-車手-車身模型

對于前擋風的設計，首先通過人機工程導入車手體位數據和駕駛姿勢得到相關數據后，結合規則要求的至少要保證車手前方有90度的可視范圍，完成前擋風的設計。對于側窗的設計，應避免與車身線條相接，滿足后視鏡的使用與方便從外側觀察駕駛員和發動機艙的狀態。

圖2 通過Catia分析車手視野范圍

根據車架尺寸和空氣動力學的特點設計的車身基本設計參數如表2所示。

表2 肇慶學院2019年節能車車身參數

出于安全、輕量化與加工便利性的考慮，大部分賽車的前擋風和側窗使用透光性較好、不易脆、易成形的PVC材料制成。但是PVC材料得耐熱性較差，維卡軟化溫度僅為72°-82°，過薄的PVC作為擋風和側窗的材料會在賽車日常的日曬中嚴重變形。通過查閱資料，備選用0.5mm厚的PVC作為擋風和側窗的材料[3]。

選用透光率約為24%、紅外線阻隔率約為84%、紫外線阻隔率約為 99%的單向透視膜對車身的擋風和側窗進行貼膜，一方面可以減輕駕駛員的負擔，另一方面可以防止在發生事故時破碎的擋風和側窗對駕駛員造成傷害[4]。

1.3 車身外流場分析

在賽車外部建立一個計算域，計算域的入口長度為整車長度的2.5倍，出口長度約為整車長度6倍，左右寬度為整車寬度3倍，高度約為整車高度5倍[5]。為了更好地模擬賽車周邊的空氣流動狀況，在車身周圍的區域創建網格加密區。

在進行計算機仿真前，首先需要對模型進行網格劃分。由于 FLUENT對于網格質量要求較高，故使用 Hypermesh進行網格劃分。本次分析研究的內容是賽車表面壓力和周邊的氣流狀況，所以整個模型的網格區域應分為三部分，一是賽車表面網格控制在20mm上下、最大網格不超過25mm，二是對于加密區域的網格應控制在50mm左右，三是其余的計算域網格設置為200mm，最終劃分出200萬個的非結構網格。待進行網格檢查后發現整體情況良好，車身表面也生成了較為細密的邊界層。

賽車在行駛過程中的設計平均速度是7.5m/s。在有限元分析中出口條件設置成壓力出口，將地面條件設置成可移動，其余面均為固定壁面。

由于賽車設計的平均時速不高，可以把空氣介質看成不可壓縮氣體，采用RNGk-ε湍流模型以及基于速度壓力耦合的SIMPLE半隱式迭代算法，其他部分改為二階算法[6]。選擇StandardInitialization對入口進行初始化，經過1000步的計算，模型分析結果如下。

圖3 側視流線圖

由圖3 側視流線圖可知，當空氣流經車體時，氣流與車體表面的貼合性較好，并沒有出現失速現象或者是明顯的負壓區，氣流可以順利地從車身頭部流到車身尾部，符合汽車空氣動力學的要求。

在距離地面 200mm處建立一個截面，以觀察到賽車周圍的氣流。觀察分析結果后發現，氣流經過車頭時大多數都被導向兩邊，所以流線型的車頭對氣流沒有造成過多阻滯。如圖4所示，雖然賽車流線最寬出現在前車輪處并逐漸向后收縮，但由于理論設計最高時速并不高，所以在車身兩側沒有出現失速現象。

由圖5可知，賽車的理論風阻系數為0.13，遠低于民用車0.3-0.5的阻力系數水平。低風阻的特性，可以減少為克服風阻所消耗的燃油，以達到節能的效果。

圖4 俯視流線圖

圖5 風阻系數圖

1.4 前擋風強度分析

將車身前擋風的相關信息（如表3示）代入車身的氣動阻力表達式可算得車身在行駛時受到的阻力的大小.再加上PVC材料自身的重力后再ANSYS中進行仿真分析。

表3 前擋風的相關信息

由公式m=ρV，可得m=0.38318KG。

在ANSYS分析中，在添加PVC材料后，選擇自動網格劃分方式對車身進行網格劃分，控制網格的質量在0.72以上為宜[7]。選擇前擋風的邊界施加固定約束，約束前擋風的所有位移與旋轉。將重力m與力 Fx作為載荷添加至前擋風后進行求解。

經過分析，得到了前擋風 PVC板的受力情況和形變情況。根據圖 6的分析結果，可看出前擋風只承受最大為296.92pa的壓力不會對前擋風造成破壞。根據圖7所示的分析結果，可看出前擋風只承受最大為2.3683e-7m的微小形變，不影響前擋風的使用效果。

由于側窗的迎風面與表面積都比前擋風小得多，且傾角更小，當材料符合前擋風的使用要求時也必然符合側窗的使用要求。故0.5mm厚的PVC板符合前擋風和側窗的使用要求。

圖6 賽車行駛過程中的前擋風的應力云圖

圖7 賽車行駛過程中的前擋風的形變云圖

2 魚骨板模具制車身的優點與流程

2.1 魚骨板模具的優點

無論從資金預算、模具質量或者是從時效性等來看，以中纖板為骨架的魚骨板法都有極高的性價比，具體表現在如下幾點：

①穩定性更好。考慮到大多數車隊的加工環境較為艱辛，且實驗室的酷熱，魚骨板模具不存在泡沫板之間的縮脹與老化問題；

②受力不易變形。普通的泡沫模具在搬運過程或在后期抽真空中的不當操作極易對模具造成破壞，輕則處理表面出現細紋重則易產生破裂；

③精確度更高。在骨架制作過程中，空間交錯的中纖板的每一個卡口都有唯一對應的空間坐標，拼裝簡單且非常精準，理論整體誤差僅為0.5至2mm；

④中纖板、聚氨酯發泡劑、玻璃纖維、原子灰等都是價廉易取的材料，存儲簡單。

由表4和圖8可知，對比肇慶學院上一代節能車堆疊泡沫法車身模具制造的設計參數與實際參數，魚骨板法比泡沫堆疊法在各類尺寸上的誤差率都更低。（理論尺寸為Catia模型尺寸，實際尺寸為經過脫模后的車身尺寸，長度單位為mm，面積單位為m2）。

表4 兩種制作方法的尺寸數據

圖8 兩種制作結果的誤差率比較

2.2 魚骨板模具制作流程

肇慶學院節能車隊受榫卯結構和框架結構的啟發，率先使用魚骨板法制作車身模具。即以9mm厚的中纖板為材料，以三維坐標系為基準，將整個模具用三個不同平面以積分的形式組合而成，

魚骨板法模具的制作由以下幾個步驟組成：

①Catia中進入創成式外形設計模塊，使用封閉曲面命令把車身外形填充成實體曲面，使用激光切割雕刻機分割每一塊板材；

②X面、Y面、Z面的板材互相嵌套，在每一個卡口處使用排釘加固，如圖9所示。外表面由無蓋殼體并列組合后填補發泡劑使形成表面；

圖9 魚骨板拼接成型后的上下模具

③在由中纖板和聚氨酯發泡劑組成的外表面上覆蓋一層玻璃纖維以加固表面；

③由原子灰對模具缺陷處進行填補后先用小目數砂紙再用大目數砂紙對外形進行打磨，最終形成模具外表面。

2.3 車身制作流程

①先將模具成型面進行清理，再在模具上涂刷四至五層脫模蠟[8]。

②對碳纖維布的編織經行梳理，并在剪切處貼上美紋紙以防止出現拉絲。

③對于主要承重的車身底板則需要準備一層與底面造型一直的強芯氈以加強支撐作用。

④將雙組份環氧樹脂YT-CC301以3：1的比例進行混合，確保混合均勻后在環境溫度 25攝氏度時粘度在 500-600m Pa.s并留有15-25min操作時間。

⑤車身成型時首先將剪裁好的第一層碳纖維布鋪在模具表面，使用刷子和壓輥在碳纖維布表面刷上環氧樹脂。在環氧樹脂浸漬并排除氣泡后鋪上第二層碳纖維布（第一二層碳布的紋路應呈交叉狀）后重復刷環氧樹脂的步驟即可。

⑥待靜置24小時環氧樹脂固化后，車身便已成型。在車身脫模后，對于有缺陷的表面使用原子灰進行修補，再由目數從小至大的砂紙分別打磨至光滑即可。

⑦在全部缺陷修補完畢后，采用方向統一、寬度一致和多層噴涂的噴漆方式噴涂油漆。再將前擋風與側窗粘在車身上，使用熱熔膠與玻璃膠填補縫隙后即代表著整個車身的完工。

3 結論

根據主流節能賽車車身模型，使用 CATIA建模。導入FLUENT進行車身外部流場分析，包括模型處理、網格劃分、計算及后處理等，不僅節約車身研發成本，同時降低了車輛運動過程消耗的能量，從而得到空氣動力性能較為滿意的車身。使用ANSYS進行前擋風的強度分析，確定所選PVC板符合前擋風以及側窗使用要求。在此基礎上，率先使用魚骨板法制作車身模具，從而在保證一定精度下達到節約制作成本的目的。