基于外部流场的汽车底部结构优化设计

李胜琴　赵银宝　冯新园

摘要：以某款纯电动汽车为例，利用有限元方法对汽车外流场进行计算、分析及优化设计。依据汽车外形结构特点及尺寸，建立汽车有限元模型及风洞模型，设定初始条件，进行汽车外部流场性能模拟分析，得出车辆底部速度分布云图、压力分布云图及速度矢量图，在此基础上对汽车电池包及悬架结构进行优化，优化后汽车底部及后部湍流动能的消耗减小，改善了汽車动力性能。同时还对汽车优化前后各主要部件对风阻系数的影响进行对比分析，结果表明优化后整车风阻系数降低2.995%，整车能量消耗减小，动力性得到提高。

关键词：电动车辆;底部结构;流场性能;风阻系数;优化设计

中图分类号：U463.1文献标识码：A文章编号：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

据统计，当车速超过100 km/h时，约80%的发动机动力用来克服汽车气动阻力，气动阻力的大小与车速的平方成正比，而克服空气阻力消耗的功率则与车速三次方成正比，车速越高，风阻系数也越高[1-2]。试验表明，风阻系数每降低10%，汽车可以节省燃油7%[3]。因此降低汽车的风阻系数，可有效改善汽车的燃油经济性，提高动力性能。

20世纪20年代开始国外就已经将空气动力学理论运用到汽车流体力学性能分析上，20世纪50年代末以后，许多汽车企业纷纷投入大量人力、物力和财力建立汽车风洞实验室，用于汽车的空气动力学特性进行分析，来研究汽车各种工况下的汽车风阻和升力、气流的流动情况等[4]。20世纪60年代初，美国对汽车外形及其空气动力特性之间的复杂关系进行了系统研究，汽车设计的局部优化获得较大进步[5]。日本和欧美等发达国家对汽车空气动力学的研究也得到了进一步的发展，深入地开展了空气动力学与生产紧密结合的研究，实现了汽车的优化设计，提高了整车性能[6-7]。从20世纪80年代起，由于计算机技术和湍流理论的发展，计算流体力学（CFD）开始应用到汽车设计中。1997年，湖南大学的谷正气和姜乐华等人介绍了空气动力学在汽车气动性能分析上的应用，给以后的汽车空气动力特性的探究提供了重要理论指导[8]。2017年陈雷、王小碧等人对进气格栅、后扰流板和汽车底部附件等进行优化，从而降低了整车风阻系数[9]。

汽车造型对气动性能影响最大。车头造型对气动性能的影响因素主要有车头边角、车头形状、车头高度、发动机罩和前风窗造型等;车身尾部造型对气动阻力的影响因素主要有后风窗的斜度与三维曲率、尾部造型式样、车尾高度和尾部横向收缩;车身底部对气动阻力的影响主要因素有车身底部离地高度、平整度、曲率和扰流器;适度地加宽轮胎对气动阻力系数有利，但不宜过宽，存在一个最佳宽度。本文只针对汽车底部的平整度进行研究。

1汽车外流场的数值模拟

1.1几何模型

本文针对某型纯电动汽车，建立汽车几何模型，用于分析汽车底部结构对汽车外部流场的影响。考虑本文主要分析汽车底部结构，在建立汽车模型时，对汽车底部的管道和线路等进行了简化，主要考虑对汽车外流场影响较大的前后门、玻璃和前后保险杠结构。

整车模型是在汽车满载的情况下分析的，模型对轮胎进行同样的处理，与地面接触的地方按照平面计算。

依据汽车外部几何参数，建立几何模型如图1所示。

1.2风洞模型

本文采用的车身模型比例是1∶1，即实际尺寸大小。考虑到仿真域的阻塞问题，数值模拟对仿真域的大小有一定的要求。对于风洞试验来讲，一般要求汽车仿真域的阻塞比低于5%。根据这个理论，一般需要将计算域取为6倍车高，左右各取5倍车宽，这时的阻塞比为1%。

风洞模型的建立主要是为了定义汽车行驶过程中外部条件，例如空气密度和压力等，考虑到整车模型的尺寸（模型的长宽高：4.385 m × 1.82 m× 1.65 m），汽车的行驶速度（120 km/h），本文研究采用的风洞模型大小为40 m×12 m×10 m，其中风洞模型的长为汽车长的10倍，风洞模型的高和宽是汽车高和宽的6倍，如图2所示。

将整车模型正前方的边界定义为速度入口，设置为120 km/h;将汽车后方的边界定义为压力出口，使其与大气压强保持一致，设置为0 Pa;与车轮接触的地板设置为移动，速度也是120 km/h，剩余的边界设置为非滑移。

2汽车外流场的数值模拟

2.1有限元模型的建立

将汽车几何模型导入有限元处理软件ANSA中，进行封闭几何处理，几何表面的修补，一般包括门缝处表面封闭，螺栓孔的封闭，车身部件间隙的封闭等。然后按照不同尺寸要求画好三角形面网格，对汽车阻力性能影响较小部件，网格密度减小，例如顶盖、车门和玻璃等，而对汽车阻力性能影响较大部件，增加网格密度，例如后視镜和门把手等，然后在STAR-CCM+环境中生成体网格。汽车有限元模型及流场性能分析有限元模型如图3所示。

2.2边界条件的设定

流体材料及物理性质设定为空气在一个标准大气压下，温度为25 ℃，空气的动力粘度为1.855×10-5 Pa·s，空气的密度为1.184 kg/m3。

流场性质设定为汽车的行驶速度远远小于声音的传播速度，因此空气具有不可压缩性，汽车附近的流动可以看做不随时间变化的定常流动、恒温流动和不可压缩的三维流场。

湍流模型设定为采用K-Epsilon湍流模型。

2.3仿真结果及分析

将模型边界条件设定完成后，设置模型的停止标准是指定最大步数4 000步，通过仿真可得到汽车在行驶过程中气流、压力和速度等的变化情况。仿真后，首先通过仿真结果（阻力系数、速度矢量图和压力分布云图）来找到整车模型中涡流集中的区域、气流在流动过程中受到的阻碍、压力过于集中的地方，通过风阻系数的值可以得到各部件阻力系数占整车阻力系数的百分比，三种后处理图可以直观得到涡流集中区或气流受阻区等;然后通过改变汽车底部结构来达到优化的效果。汽车的底部各种部件交错，罗列复杂，就使得通过汽车底部的气流更加紊乱，会形成强湍流区和各种复杂涡流，能量消耗增加，会增加整车的阻力系数。降低汽车底部的阻力系数对减小整车的阻力系数有较大帮助。

2.3.1流场分布

（1）速度分布云图

当汽车的速度为120 km/h，在满载状态下的汽车对称面速度分布云图如图4所示。

由图4可以看出，速度的变化范围是0～40 m/s。汽车在运动时，迎面而来的气流，被前保险杠阻挡速度降低，一部分沿着前舱盖、前挡风和顶盖离开汽车，一部分经过进气格栅，剩余的气流经由汽车底部离开汽车。在汽车尾部区域，速度的颜色以蓝色为主，气流的速度明显降低。

（2）速度矢量图

速度矢量图和速度云图的区别，前者是矢量图，后者是标量图，速度分布大小是一致的，但速度矢量图可以更清楚地观察到气流的流动情况。图5是在汽车底部截取的速度矢量图的一个水平面，可以清晰看到，进气格栅后的气流变化情况，前悬架附近存在两个对称的涡流，气流在轮罩流向汽车外围，最后流向汽车后方。

后悬架附近的流动情况更加复杂，这是由于该区域的零部件比较多，对气流产生较大影响。流经汽车底部和顶盖的气流相遇向汽车后方流去。

（3）压力分布云图

图6为压力分布图，可以直观观察到汽车底部的压力分布情况，对分析气流的流动情况具有参考价值。图6中可以看出，整车模型中的下护板和前后车轮迎风部分受到的压力最大，为100 Pa，这是由于气流从汽车正前方来，前保险杠受到气流的冲击最大，位于驾驶舱下的电池包受到气流的冲击较小，电池包的压力在-500～-50 Pa之间，这是由于气流快速流过，带走大量气体，出现压力为负的情况，整车模型后车轮之间的区域受到的压力也为负，说明该区域受到气流的冲击比较小。

2.3.2汽车各部分对风阻系数的影响

空气阻力系数又称风阻系数，它的大小取决于汽车的外形。风阻系数是衡量一辆汽车受空气阻力影响大小的一个标准[10]。风阻系数越小，说明汽车受到空气阻力的影响越小。风阻系数是和油耗成正比的关系，风阻系数越低，油耗越低[11]。

汽车底部结构对阻力系数的影响占整车阻力系数的30%左右，仅次于车身，其次是轮胎、后视镜和雨刮等。

汽车在行驶过程中，车身前方的气流，由于车身的阻碍，一部分流向汽车底部，大部分沿着前机舱盖和顶盖流向车身后方，在车身前后会出现正压区和负压区，形成压差阻力，增加整车的阻力系数;汽车的底部通常是高低不平，使得底部的气流变得复杂，会形成强湍流区和各种复杂涡流，增加能量消耗，对减小整车阻力系数不利;轮胎在旋转时，周围的气体因粘性会随着车轮的旋转而有切向的速度，车轮上半部分气流绕车轮的切向速度分量与轮腔中前方气流方向相反，导致车轮周围的流场变得复杂，增大整车的阻力系数。

表1为通过仿真软件得到的汽车各部件对风阻系数的影响。可以看出，车身风阻系数占整车风阻系数的61.982%，剩余的风阻系数占整车风阻系数的38.018%，其中车轮占18.894%，底盘部分的风阻系数占19.124%。表中车身包括前后保险杠、前后窗玻璃、侧窗玻璃、顶盖、后视镜和前后灯等部件。

所以在车身等结构合理的情况下，可以考虑从汽车底部入手减少整车的风阻系数，比如减小底部零部件之间的高度差，令底部排列趋向平面从而优化底部平整度，减小汽车底部零部件的复杂程度从而减小气流遇到的阻力，优化下护板和加装导流板等措施梳理底部紊乱气流。

3结构优化及优化结果

3.1结构优化

（1）优化电池包

电池包的初始模型底部是一个平面，通过改变电池包的结构来达到优化的效果，将电池包向地面延伸24.6 mm，优化结果如图7所示，图中红色部分为电池包向地面延伸的部分。

（2）悬架优化

前悬架初始模型的横梁在下护板的后方，优化后的模型前悬架的变化是将左右纵梁向前延伸213 mm，将前悬架的后横梁的长增加10 mm，宽增加17 mm，高增加26.5 mm，将前悬架安装支架的尺寸整体缩小10 mm。优化结果如图8所示，前悬架的变化是将左右纵梁向前延伸，将前悬架的后横梁变粗，安装支架尺寸减小。

3.2优化结果

将优化后的整车建立汽车模型，利用原有的风洞模型，初始条件设置与优化前一致，满载状态下，汽车速度为120 km/h。因为要对比汽车底部风阻系数的变化，利用湍流动能分布云图和湍流动能等值面图可以更加直观地观察各处湍流动能的变化。前面没有使用湍流动能分布云图是因为湍流动能分布云图主要体现湍流动能的消耗情况，通过初始和优化模型的对比可以明确看出优化部件的能量消耗。

如图9和图10所示，优化后的模型在电池包处的红色区域比初始模型的区域更大，说明汽车在行驶过程中，电池包处的湍流动能更大，消耗的能量比初始模型中的多，这是由于电池包向地面延伸24.6 mm，导致流经电池包处的气流受到的阻力更大，消耗的能量更多。模型优化前后，悬架部分的湍流动能变化不明显。

图11和图12是湍流动能值为30 J/kg的等值面图，可以更直观的看到汽车尾部和底部的能量损失情况。通过观察等值面的覆盖面积大小可以得到能量损失的多少，面积越大，损失的能量越多。观察优化后的模型，在电池包下方和汽车尾部的等值面都有所减小，所以这两部分的能量损失也有所减小。

表2为优化前后车辆各部件对整车风阻系数的影响对比情况，由表2可以看到电池包的风阻系数增加了0.004，悬架的风阻系数没变化，优化后的整车风阻系数下降了2.995%。汽车底部的气流变化比较复杂，各部件之间相互存在影响，虽然电池包和悬架的阻力系数一增一平，但整车的阻力系数有所下降，亦表明优化后的模型达到研究目标。

4结论

本文通过仿真分析整车模型的阻力系数，提出通过优化汽车底部（电池包和前悬架）来减小整车模型的阻力系数的方案。

（1）通过对电池包和悬架结构进行优化，使得优化后整车模型的阻力系数减小0.013，降低了2.995%。

（2）优化后整车模型中，电池包处的湍流动能增加，消耗的能量比初始模型中的多;悬架部分的湍流动能变化不明显，整车消耗能量降低，改善了车辆的动力性能。

（3）从优化后的整车模型中各部件对风阻系数的影响可以看出，车身和前轮等处的风阻系数降低，电池包和悬架处的风阻系数不变，但是整车阻力系数减小，有利于车辆动力性能的改善。

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