李勝琴　趙銀寶　馮新園

摘要：以某款純電動(dòng)汽車(chē)為例，利用有限元方法對(duì)汽車(chē)外流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算、分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)。依據(jù)汽車(chē)外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及尺寸，建立汽車(chē)有限元模型及風(fēng)洞模型，設(shè)定初始條件，進(jìn)行汽車(chē)外部流場(chǎng)性能模擬分析，得出車(chē)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(chǔ)上對(duì)汽車(chē)電池包及懸架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后汽車(chē)底部及后部湍流動(dòng)能的消耗減小，改善了汽車(chē)動(dòng)力性能。同時(shí)還對(duì)汽車(chē)優(yōu)化前后各主要部件對(duì)風(fēng)阻系數(shù)的影響進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明優(yōu)化后整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)降低2.995%，整車(chē)能量消耗減小，動(dòng)力性得到提高。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)車(chē)輛;底部結(jié)構(gòu);流場(chǎng)性能;風(fēng)阻系數(shù);優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)車(chē)速超過(guò)100 km/h時(shí)，約80%的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力用來(lái)克服汽車(chē)氣動(dòng)阻力，氣動(dòng)阻力的大小與車(chē)速的平方成正比，而克服空氣阻力消耗的功率則與車(chē)速三次方成正比，車(chē)速越高，風(fēng)阻系數(shù)也越高[1-2]。試驗(yàn)表明，風(fēng)阻系數(shù)每降低10%，汽車(chē)可以節(jié)省燃油7%[3]。因此降低汽車(chē)的風(fēng)阻系數(shù)，可有效改善汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性，提高動(dòng)力性能。

20世紀(jì)20年代開(kāi)始國(guó)外就已經(jīng)將空氣動(dòng)力學(xué)理論運(yùn)用到汽車(chē)流體力學(xué)性能分析上，20世紀(jì)50年代末以后，許多汽車(chē)企業(yè)紛紛投入大量人力、物力和財(cái)力建立汽車(chē)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，用于汽車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析，來(lái)研究汽車(chē)各種工況下的汽車(chē)風(fēng)阻和升力、氣流的流動(dòng)情況等[4]。20世紀(jì)60年代初，美國(guó)對(duì)汽車(chē)外形及其空氣動(dòng)力特性之間的復(fù)雜關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)研究，汽車(chē)設(shè)計(jì)的局部?jī)?yōu)化獲得較大進(jìn)步[5]。日本和歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的研究也得到了進(jìn)一步的發(fā)展，深入地開(kāi)展了空氣動(dòng)力學(xué)與生產(chǎn)緊密結(jié)合的研究，實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了整車(chē)性能[6-7]。從20世紀(jì)80年代起，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和湍流理論的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）開(kāi)始應(yīng)用到汽車(chē)設(shè)計(jì)中。1997年，湖南大學(xué)的谷正氣和姜樂(lè)華等人介紹了空氣動(dòng)力學(xué)在汽車(chē)氣動(dòng)性能分析上的應(yīng)用，給以后的汽車(chē)空氣動(dòng)力特性的探究提供了重要理論指導(dǎo)[8]。2017年陳雷、王小碧等人對(duì)進(jìn)氣格柵、后擾流板和汽車(chē)底部附件等進(jìn)行優(yōu)化，從而降低了整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)[9]。

汽車(chē)造型對(duì)氣動(dòng)性能影響最大。車(chē)頭造型對(duì)氣動(dòng)性能的影響因素主要有車(chē)頭邊角、車(chē)頭形狀、車(chē)頭高度、發(fā)動(dòng)機(jī)罩和前風(fēng)窗造型等;車(chē)身尾部造型對(duì)氣動(dòng)阻力的影響因素主要有后風(fēng)窗的斜度與三維曲率、尾部造型式樣、車(chē)尾高度和尾部橫向收縮;車(chē)身底部對(duì)氣動(dòng)阻力的影響主要因素有車(chē)身底部離地高度、平整度、曲率和擾流器;適度地加寬輪胎對(duì)氣動(dòng)阻力系數(shù)有利，但不宜過(guò)寬，存在一個(gè)最佳寬度。本文只針對(duì)汽車(chē)底部的平整度進(jìn)行研究。

1汽車(chē)外流場(chǎng)的數(shù)值模擬

1.1幾何模型

本文針對(duì)某型純電動(dòng)汽車(chē)，建立汽車(chē)幾何模型，用于分析汽車(chē)底部結(jié)構(gòu)對(duì)汽車(chē)外部流場(chǎng)的影響?？紤]本文主要分析汽車(chē)底部結(jié)構(gòu)，在建立汽車(chē)模型時(shí)，對(duì)汽車(chē)底部的管道和線(xiàn)路等進(jìn)行了簡(jiǎn)化，主要考慮對(duì)汽車(chē)外流場(chǎng)影響較大的前后門(mén)、玻璃和前后保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)。

整車(chē)模型是在汽車(chē)滿(mǎn)載的情況下分析的，模型對(duì)輪胎進(jìn)行同樣的處理，與地面接觸的地方按照平面計(jì)算。

依據(jù)汽車(chē)外部幾何參數(shù)，建立幾何模型如圖1所示。

1.2風(fēng)洞模型

本文采用的車(chē)身模型比例是1∶1，即實(shí)際尺寸大小?？紤]到仿真域的阻塞問(wèn)題，數(shù)值模擬對(duì)仿真域的大小有一定的要求。對(duì)于風(fēng)洞試驗(yàn)來(lái)講，一般要求汽車(chē)仿真域的阻塞比低于5%。根據(jù)這個(gè)理論，一般需要將計(jì)算域取為6倍車(chē)高，左右各取5倍車(chē)寬，這時(shí)的阻塞比為1%。

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

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

2汽車(chē)外流場(chǎng)的數(shù)值模擬

2.1有限元模型的建立

將汽車(chē)幾何模型導(dǎo)入有限元處理軟件ANSA中，進(jìn)行封閉幾何處理，幾何表面的修補(bǔ)，一般包括門(mén)縫處表面封閉，螺栓孔的封閉，車(chē)身部件間隙的封閉等。然后按照不同尺寸要求畫(huà)好三角形面網(wǎng)格，對(duì)汽車(chē)阻力性能影響較小部件，網(wǎng)格密度減小，例如頂蓋、車(chē)門(mén)和玻璃等，而對(duì)汽車(chē)阻力性能影響較大部件，增加網(wǎng)格密度，例如后視鏡和門(mén)把手等，然后在STAR-CCM+環(huán)境中生成體網(wǎng)格。汽車(chē)有限元模型及流場(chǎng)性能分析有限元模型如圖3所示。

2.2邊界條件的設(shè)定

流體材料及物理性質(zhì)設(shè)定為空氣在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，溫度為25 ℃，空氣的動(dòng)力粘度為1.855×10-5 Pa·s，空氣的密度為1.184 kg/m3。

流場(chǎng)性質(zhì)設(shè)定為汽車(chē)的行駛速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于聲音的傳播速度，因此空氣具有不可壓縮性，汽車(chē)附近的流動(dòng)可以看做不隨時(shí)間變化的定常流動(dòng)、恒溫流動(dòng)和不可壓縮的三維流場(chǎng)。

湍流模型設(shè)定為采用K-Epsilon湍流模型。

2.3仿真結(jié)果及分析

將模型邊界條件設(shè)定完成后，設(shè)置模型的停止標(biāo)準(zhǔn)是指定最大步數(shù)4 000步，通過(guò)仿真可得到汽車(chē)在行駛過(guò)程中氣流、壓力和速度等的變化情況。仿真后，首先通過(guò)仿真結(jié)果（阻力系數(shù)、速度矢量圖和壓力分布云圖）來(lái)找到整車(chē)模型中渦流集中的區(qū)域、氣流在流動(dòng)過(guò)程中受到的阻礙、壓力過(guò)于集中的地方，通過(guò)風(fēng)阻系數(shù)的值可以得到各部件阻力系數(shù)占整車(chē)阻力系數(shù)的百分比，三種后處理圖可以直觀得到渦流集中區(qū)或氣流受阻區(qū)等;然后通過(guò)改變汽車(chē)底部結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到優(yōu)化的效果。汽車(chē)的底部各種部件交錯(cuò)，羅列復(fù)雜，就使得通過(guò)汽車(chē)底部的氣流更加紊亂，會(huì)形成強(qiáng)湍流區(qū)和各種復(fù)雜渦流，能量消耗增加，會(huì)增加整車(chē)的阻力系數(shù)。降低汽車(chē)底部的阻力系數(shù)對(duì)減小整車(chē)的阻力系數(shù)有較大幫助。

2.3.1流場(chǎng)分布

（1）速度分布云圖

當(dāng)汽車(chē)的速度為120 km/h，在滿(mǎn)載狀態(tài)下的汽車(chē)對(duì)稱(chēng)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(chē)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，迎面而來(lái)的氣流，被前保險(xiǎn)杠阻擋速度降低，一部分沿著前艙蓋、前擋風(fēng)和頂蓋離開(kāi)汽車(chē)，一部分經(jīng)過(guò)進(jìn)氣格柵，剩余的氣流經(jīng)由汽車(chē)底部離開(kāi)汽車(chē)。在汽車(chē)尾部區(qū)域，速度的顏色以藍(lán)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(qū)別，前者是矢量圖，后者是標(biāo)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(dòng)情況。圖5是在汽車(chē)底部截取的速度矢量圖的一個(gè)水平面，可以清晰看到，進(jìn)氣格柵后的氣流變化情況，前懸架附近存在兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的渦流，氣流在輪罩流向汽車(chē)外圍，最后流向汽車(chē)后方。

后懸架附近的流動(dòng)情況更加復(fù)雜，這是由于該區(qū)域的零部件比較多，對(duì)氣流產(chǎn)生較大影響。流經(jīng)汽車(chē)底部和頂蓋的氣流相遇向汽車(chē)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(chē)底部的壓力分布情況，對(duì)分析氣流的流動(dòng)情況具有參考價(jià)值。圖6中可以看出，整車(chē)模型中的下護(hù)板和前后車(chē)輪迎風(fēng)部分受到的壓力最大，為100 Pa，這是由于氣流從汽車(chē)正前方來(lái)，前保險(xiǎn)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(guò)，帶走大量氣體，出現(xiàn)壓力為負(fù)的情況，整車(chē)模型后車(chē)輪之間的區(qū)域受到的壓力也為負(fù)，說(shuō)明該區(qū)域受到氣流的沖擊比較小。

2.3.2汽車(chē)各部分對(duì)風(fēng)阻系數(shù)的影響

空氣阻力系數(shù)又稱(chēng)風(fēng)阻系數(shù)，它的大小取決于汽車(chē)的外形。風(fēng)阻系數(shù)是衡量一輛汽車(chē)受空氣阻力影響大小的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)[10]。風(fēng)阻系數(shù)越小，說(shuō)明汽車(chē)受到空氣阻力的影響越小。風(fēng)阻系數(shù)是和油耗成正比的關(guān)系，風(fēng)阻系數(shù)越低，油耗越低[11]。

汽車(chē)底部結(jié)構(gòu)對(duì)阻力系數(shù)的影響占整車(chē)阻力系數(shù)的30%左右，僅次于車(chē)身，其次是輪胎、后視鏡和雨刮等。

汽車(chē)在行駛過(guò)程中，車(chē)身前方的氣流，由于車(chē)身的阻礙，一部分流向汽車(chē)底部，大部分沿著前機(jī)艙蓋和頂蓋流向車(chē)身后方，在車(chē)身前后會(huì)出現(xiàn)正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)，形成壓差阻力，增加整車(chē)的阻力系數(shù);汽車(chē)的底部通常是高低不平，使得底部的氣流變得復(fù)雜，會(huì)形成強(qiáng)湍流區(qū)和各種復(fù)雜渦流，增加能量消耗，對(duì)減小整車(chē)阻力系數(shù)不利;輪胎在旋轉(zhuǎn)時(shí)，周?chē)臍怏w因粘性會(huì)隨著車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)而有切向的速度，車(chē)輪上半部分氣流繞車(chē)輪的切向速度分量與輪腔中前方氣流方向相反，導(dǎo)致車(chē)輪周?chē)牧鲌?chǎng)變得復(fù)雜，增大整車(chē)的阻力系數(shù)。

表1為通過(guò)仿真軟件得到的汽車(chē)各部件對(duì)風(fēng)阻系數(shù)的影響?？梢钥闯?，車(chē)身風(fēng)阻系數(shù)占整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)的61.982%，剩余的風(fēng)阻系數(shù)占整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)的38.018%，其中車(chē)輪占18.894%，底盤(pán)部分的風(fēng)阻系數(shù)占19.124%。表中車(chē)身包括前后保險(xiǎn)杠、前后窗玻璃、側(cè)窗玻璃、頂蓋、后視鏡和前后燈等部件。

所以在車(chē)身等結(jié)構(gòu)合理的情況下，可以考慮從汽車(chē)底部入手減少整車(chē)的風(fēng)阻系數(shù)，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(yōu)化底部平整度，減小汽車(chē)底部零部件的復(fù)雜程度從而減小氣流遇到的阻力，優(yōu)化下護(hù)板和加裝導(dǎo)流板等措施梳理底部紊亂氣流。

3結(jié)構(gòu)優(yōu)化及優(yōu)化結(jié)果

3.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化

（1）優(yōu)化電池包

電池包的初始模型底部是一個(gè)平面，通過(guò)改變電池包的結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到優(yōu)化的效果，將電池包向地面延伸24.6 mm，優(yōu)化結(jié)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(yōu)化

前懸架初始模型的橫梁在下護(hù)板的后方，優(yōu)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(zhǎng)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(yōu)化結(jié)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(yōu)化結(jié)果

將優(yōu)化后的整車(chē)建立汽車(chē)模型，利用原有的風(fēng)洞模型，初始條件設(shè)置與優(yōu)化前一致，滿(mǎn)載狀態(tài)下，汽車(chē)速度為120 km/h。因?yàn)橐獙?duì)比汽車(chē)底部風(fēng)阻系數(shù)的變化，利用湍流動(dòng)能分布云圖和湍流動(dòng)能等值面圖可以更加直觀地觀察各處湍流動(dòng)能的變化。前面沒(méi)有使用湍流動(dòng)能分布云圖是因?yàn)橥牧鲃?dòng)能分布云圖主要體現(xiàn)湍流動(dòng)能的消耗情況，通過(guò)初始和優(yōu)化模型的對(duì)比可以明確看出優(yōu)化部件的能量消耗。

如圖9和圖10所示，優(yōu)化后的模型在電池包處的紅色區(qū)域比初始模型的區(qū)域更大，說(shuō)明汽車(chē)在行駛過(guò)程中，電池包處的湍流動(dòng)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(dǎo)致流經(jīng)電池包處的氣流受到的阻力更大，消耗的能量更多。模型優(yōu)化前后，懸架部分的湍流動(dòng)能變化不明顯。

圖11和圖12是湍流動(dòng)能值為30 J/kg的等值面圖，可以更直觀的看到汽車(chē)尾部和底部的能量損失情況。通過(guò)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(yōu)化后的模型，在電池包下方和汽車(chē)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(yōu)化前后車(chē)輛各部件對(duì)整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)的影響對(duì)比情況，由表2可以看到電池包的風(fēng)阻系數(shù)增加了0.004，懸架的風(fēng)阻系數(shù)沒(méi)變化，優(yōu)化后的整車(chē)風(fēng)阻系數(shù)下降了2.995%。汽車(chē)底部的氣流變化比較復(fù)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(shù)一增一平，但整車(chē)的阻力系數(shù)有所下降，亦表明優(yōu)化后的模型達(dá)到研究目標(biāo)。

4結(jié)論

本文通過(guò)仿真分析整車(chē)模型的阻力系數(shù)，提出通過(guò)優(yōu)化汽車(chē)底部（電池包和前懸架）來(lái)減小整車(chē)模型的阻力系數(shù)的方案。

（1）通過(guò)對(duì)電池包和懸架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使得優(yōu)化后整車(chē)模型的阻力系數(shù)減小0.013，降低了2.995%。

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

（3）從優(yōu)化后的整車(chē)模型中各部件對(duì)風(fēng)阻系數(shù)的影響可以看出，車(chē)身和前輪等處的風(fēng)阻系數(shù)降低，電池包和懸架處的風(fēng)阻系數(shù)不變，但是整車(chē)阻力系數(shù)減小，有利于車(chē)輛動(dòng)力性能的改善。

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