某商用輕卡導流罩輕量化研究

鄧琦嵐Deng Qilan

某商用輕卡導流罩輕量化研究

鄧琦嵐
Deng Qilan

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330010）

基于工程材料學和有限元理論，運用Nastran仿真軟件，對某商用輕卡的導流罩及支架進行結構優化設計對比分析，開展輕量化導流罩CAE強度分析及迎風壓力分析，同時開展外流場風阻分析，結果顯示，導流罩本體玻璃纖維配方調整和固定支架輕量化后，導流罩本體和支架最大應力得到改善，整車風阻系數值降低6%，減重5 kg，輕量化效果顯著。

輕卡；導流罩；輕量化

0 引 言

后疫情時代我國經濟重回快速發展階段，新興經濟業態極大促進了電商經濟的蓬勃發展，同時伴隨著我國城鄉道路網絡日益完善，城鄉物流配送及快遞行業全面鋪開，商用車尤其是輕卡車型的銷量增長迅速，但是輕卡容易出現超載超重問題，在保證整車承載性能和結構可靠性能的前提下，應盡可能減輕整車整備質量[1-3]；同時，隨著國六排放政策法規的陸續出臺，國家對于汽車行業提出了更高更嚴的技術要求，汽車輕量化設計成為汽車行業的競爭高地和重要發展方向。汽車輕量化技術旨在保證汽車強度、剛度和安全等性能的前提下，盡可能地減輕整備質量，提高汽車行駛性能，實現低碳綠色環保可持續發展。導流罩裝置是輕卡車型重要的降低風阻功能件，其輕量化路徑性價比高[4-5]，為貨運業節能減排提出了新思路，研究商用輕卡導流罩的輕量化方案具有顯著的經濟和社會價值。

基于工程材料學和有限元理論，運用Nastran仿真軟件，對某商用輕卡的導流罩及支架進行結構優化設計及對比分析，開展輕量化導流罩CAE強度分析及迎風壓力分析，同時開展外流場風阻分析，結果顯示，導流罩本體和固定支架輕量化后，導流罩本體和支架最大應力得到改善，整車風阻系數降低6%，導流罩本體及支架減重5 kg，輕量化效果顯著。

1 導流罩結構優化及CAE強度分析

導流罩是指安裝在輕卡駕駛室頂部的空氣導流零部件裝置，如圖1所示，可以改善汽車空氣動力性能，有效減少輕卡車型空氣阻力及降低油耗；尤其對于迎風面積較大的寬體輕卡車型，采用導流罩在高速工況下可顯著降低風阻效果。輕卡導流罩一般是硬殼式罩蓋，采用固定支架安裝于駕駛室頂蓋。目前，導流罩的制造工藝主要有手糊玻璃鋼工藝、SMC(Sheet Molding Compound，片狀模塑料模壓)工藝。

圖1 某商用輕卡導流罩結構圖

1.1 導流罩輕量化結構設計

輕卡輕量化旨在通過使用新材料和新結構降低整車整備質量。輕卡導流罩的基礎方案為玻璃鋼材質，重量為30 kg，輕量化方案主要是將玻璃鋼導流罩本體的玻璃纖維含量從20%提高到35%，增加了材料強度，減薄導流罩及支架厚度，導流罩厚度從2.5 mm減薄至2 mm，安裝支架厚度從4 mm減薄至3 mm。如圖2所示，輕量化后導流罩及支架重量為25 kg，減重5 kg。

圖2 輕量化導流罩CAE模型

1.2 導流罩輕量化方案CAE強度分析

1.2.1 CAE頻響對比分析

在Nastran軟件中對導流罩及支架本體進行有限元模型建模，網格大小為3 mm，單元類型為Shell，支架和導流罩本體采用rigid連接，如圖2所示，約束導流罩與駕駛室連接處的全部自由度，在向施加1 GPa載荷激勵，結構阻尼為0.025，掃頻范圍為1～55 Hz。

對基礎導流罩系統及輕量化后導流罩系統進行頻率響應CAE強度對比分析，結果如圖3所示。基礎方案的最大應力為504 MPa，所對應的頻率為12 Hz，輕量化后最大應力為188 MPa，所對應的頻率為15 Hz，輕量化后應力下降顯著，改善效果明顯。

1.2.2 迎風面壓CAE分析

導流罩的主要設計目的是減少整車風阻，在高速工況其使整車風阻降低的效果更為顯著。導流罩輕量化后需要校核迎風面壓CAE強度，為此對導流罩本體施加向面壓300 N迎風壓力載荷，結果如圖4所示。導流罩本體最大位移為3.32 mm，小于基礎方案4.21 mm。導流罩支架最大應力為47.72 MPa，小于基礎方案67.23 MPa。

2 導流罩輕量化CAE風阻分析

采用StarC++軟件對輕量化的導流罩進行外流場風阻CAE分析，其中冷凝器風扇轉速為2 000 r/min，散熱器風扇轉速為300 r/min，空氣密度為1.18 kg/m3，整車車速為100 km/h。網格模型大小為8 mm，局部細節進行建模簡化處理。外流場CAE模型如圖5所示。

圖5 導流罩輕量化外流場模型

按照上述參數設置對輕量化導流罩進行整車風阻分析，發現優化后風阻系數為0.5，下降了6%，有助于降低整車油耗。

3 結 論

基于工程材料學和有限元理論，運用Nastran仿真軟件和StarC++軟件對某商用輕卡的導流罩及支架進行結構優化設計及對比分析，結果顯示，導流罩系統輕量化后最大應力為188 MPa，與基礎方案最大應力504 MPa相比，應力下降顯著；迎風面壓導流罩本體最大位移輕量化后為3.32 mm，小于基礎方案4.21 mm；迎風面壓導流罩支架最大應力輕量化后為47.72 MPa，小于基礎方案67.23 MPa。導流罩輕量化后整車風阻系數為0.5，降低了6%。整車導流罩及支架重量為25 kg，減重5 kg，輕量化效果顯著。

[1]丁樂芳，張憲，官已駿. 基于導流罩優化的輕卡車型節油效果研究[J]. 汽車工程學報, 2020, 10(6):7.

[2]陳明亮, 黃幼林, 董勇峰,等. 基于有限元法的某商用車整車外流場性能仿真及試驗研究[J]. 汽車實用技術, 2020, 45(21):2.

[3]童波, 邵慶賢, 湯艷,等. 結構優化和新材料技術對商用車輕量化的影響[J]. 汽車零部件, 2015(4):3.

[4]黃勤, 何帆影, 宋磊,等. 基于有限元方法的某輕卡車架性能研究[J]. 汽車實用技術, 2020(7):3.

[5]黃勤, 劉風華, 何帆影,等. 基于Nastran的某輕卡ECU支架共振問題優化研究[J]. 汽車實用技術, 2020(9):2.

2021-07-20

1002-4581（2021）06-0016-03

U463.83+2

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.06.005