汽车车身设计中CFD技术的应用研究

鲁显睿

（贵州工业职业技术学院，贵阳 550008）

1 应用CFD技术可行性

汽车车身设计要保证强度和刚度要求外，还要综合防振降噪、撞击安全性、材料侵蚀性和轻量化的全盘考虑和测试，应用CFD技术大大提高了汽车企业的竞争力和设计水平，带来了崭新的汽车车身设计理念和途径。CFD技术的发展已替代了典型流体力学的近似计算法和图解法，如汽车车身流线外形对性能的影响，汽车尾气对街道环境的污染等。CFD技术能够分析从层流到湍流、不可压到可压的多种流动现象，目前，先进国家已采用CFD技术与CAD技术结合来缩短汽车车身的空气动力学设计，并运用CFD技术改变汽车车身的初始条件和几何边界条件，以汽车流场任意点的信息计算研究流动机理，优选汽车车身的空气动力性能等。CFD技术辅助汽车车身设计，加强汽车车身的空气动力学分析，包括后视镜气动噪声评估和空调进风效率分析等。CFD技术数值模拟辅助汽车车身设计可以提供大量细致的研究结果以及汽车设计相关参数，运用这些信息与汽车车身设计相结合可以真实还原汽车车身设计的“数字化”和“具体化”，提高汽车车身设计的清晰度和真实度，使汽车车身设计更符合企业、用户各方面的需求。

2 应用CFD技术设计流程

2.1 常规步骤

应用CFD技术设计流程一般分为具体方案设计，计算机CFD技术应用评估，汽车车身详细设计，汽车车身试验验证，汽车投产等环节，应用CFD技术设计数值实验，汽车车身设计可以任意选取各类型的参数，完全不会被物理模型和实验模型所限制，自由度和灵活性更强，首先要定义汽车车身设计模拟目标，然后是定义汽车车身设计模型区域，设计和划分汽车车身设计风格，接下来进行解方程计算，如设置数值计算模型、计算及监测方程的解是否与实际相符，最后检查结果，充分考虑汽车车身模型的修正等，划分网格是CFD技术模型的几何表达形式，也是汽车车身模拟与分析的载体，网格质量直接影响CFD技术计算精确度和计算效率，由于网络的生成最为耗时，技术要求也较高，普通汽车车身设计人员容易犯错，造成划分网格的时间经常大于实际CFD技术计算的时间。运用CFD技术进行汽车车身设计时要设置好边界条件，合理的边界条件才能准确计算出流场的解值，对模拟计算的各种模型，如湍流模型，采用何种迭代方式，能量方程等，进行迭代计算，直到方程收敛，而收敛前的迭代次数，和模型求解的难度、网格细密程度、使用的计算方法、收敛数据等有关，车身A柱结构如图1所示。

图1 车身A柱结构图例

车身A柱结构包括部件相当多：流水槽、油箱口盒、上边梁加强板、上边梁、B柱内板、上边梁加强板、上边梁、前柱、侧围外板、下边梁、铰链加强板、B柱加强板、后轮罩板、尾灯板和后柱等，车身部件计算得越细，车身设计的精确度越高。

2.2 注意事项

在指定边界类型及区域类型时，CFD技术必须在菜单中指定求解器，然后进行具体指定，特别在CFD技术模拟时，基本边界条件应包括汽车车身设计的流动进出口边界、流动出口边界、给定压力边界、壁面边界和对称边界，甚至周期性和循环边界等，汽车车身设计流动是否稳定，是否压缩流动，是否为3D模式，计算区域是否足够，边界条件是否合适，边界值的设定是否合理，网格是否提高解的质量，解是否随着网格的自适应进行系列变化，或者解的网格是否独立存在，所以，边界条件必须正确，而且还要考虑汽车车身设计边界条件是否需要改善等。最后，检查结果用可视化工具观察关键的流动特性是否已经解决等，在数值报告工具可用来计算定量解，如力和力矩、平均热传递系数，以及汽车车身设计中的面和体积积分、流量平衡等。轿车fluent仿真分析与设计如图2所示。

图2 轿车fluent仿真分析与设计图例

3 结语

经应用分析研究，汽车车身设计离不开大量的模型测试，普通模型测试场所占地面积大、花费时间较长且价格昂贵，新科技采用CFD技术数值分析方法完全可以减少模型测试的次数和频率，最大限度地解决汽车车身设计实验条件不足的难题，为汽车车身设计最佳优化提供强有力的实验依据，必将带动国产汽车生产与销售进一步降低成本，加快增长速度。

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