基于风洞模型和压力分布云图的汽车底盘后半部结构优化设计

宋晓雯

（雅安职业技术学院 四川 雅安 625000）

引言

传统的汽车底盘后半部分由转动系统、行驶系统、转向系统和制动系统组成，经过实验调查得出，每当汽车的行驶速度超过100 km/h 的时候，80%的传统底盘结构汽车受到极大的阻力，影响汽车的运行速度和体验[1-2]。

为解决以上问题，本文建立汽车底盘后半部结构参数化模型，进行汽车外流场数值分析，然后建立参数化有限元模型，最后依据压力分布云图对汽车底盘半结构进行优化。依据汽车外形的结构和尺寸特点，建立风洞模型和压力分布云图，分析汽车底盘悬梁结构，改善汽车底盘的坚固性和抗阻性能，使汽车的运行过程中能量消耗小，动力性能强，实现提高汽车性能的目的。

1 基于风洞模型的汽车底盘后半部结构参数化模型建立

1.1 汽车外流场数值模拟

为建立汽车底盘后半部结构参数化模型，首先通过几何模型分析汽车底盘后半部分结构与外部环境流场的关系，然后融合风洞模型确定汽车底盘后半部结构的基本参数和汽车性能的关系[3]。

汽车的几何模型如图1 所示。

图1 汽车几何模型

本文建立的风洞模型如图2 所示。

图2 风洞模型

风洞实验模型主要用来测试飞行器或者其他运行器件与流动气体相互作用的关系，应用于本文主要是根据分析结果对汽车结构进行优化。本文采用风洞模型的目的是定义模型汽车在行驶过程中外部气流对汽车的影响，风洞实验的原理是利用两个或者多个物体之间运动相对性理论和流动性理论，如果汽车结构出现危害，风洞实验结果的数据就会表现出来[4-5]。

为使汽车外流场数据模拟具有科学性和真实性，本文采用不同品牌销量最高的汽车底盘后部结构作为研究模型。因为真实场地模拟会对人员造成伤害，所以采用模型进行分析，模型为相同材料一比一大小的汽车模型，为了最大程度地还原汽车的性能，本文将风洞模型的长和宽与汽车模型的长和宽比例设定为6 比1，高的比例设定为10 比1。本文采用汽车模型尺寸为3.8 m×1.6 m×1.5 m，车轮与地板设置为自动移动的，并且车辆行驶速度始终保持在120 km/h[6]。对于汽车底盘后结构，汽车外流场影响因素关联最强的是汽车的前后门、移动玻璃、保险杠以及后盘各个器件之间的连接零件。经过风洞模型和模拟的汽车模型，对汽车底盘后半部分的管道和线路进行优化，促进汽车后半部分的空气流动，提高汽车的发动性能[7]。

1.2 参数化有限元模型

参数化有限元模型主要是将汽车结构进行单元格划分，完成汽车外流场数值计算，根据汽车底盘后半部分结构参数，为汽车结构分析提供数据分析基础[8]。

首先对于普通的汽车底盘结构，将底盘平均分为三部分架构，然后对上层、中层以及下层三个架构依次进行格式化划分，将底盘架构的焊接部分利用刚性单元格进行划分处理。无论参数化有限元模型的网格的尺寸大小为多少，单元格的数量不进行限定，只依据汽车结构进行划分，以保证汽车底盘结构分析的合理性。对于汽车底盘结构的三个层次，全部采用统一类型的壳单元格划分，一旦通过风动模型计算出汽车底盘哪一个结构出现问题时，就根据参数化有限元模型进行结构范围细化[9-10]。

将汽车底盘后半部结构进行合理划分后，本文进行参数化有限元模型的建立。对不同的详细结构进行变量定义，得到汽车底盘各个结构的详细变量如图3～图5 所示。

图3 汽车底盘前横梁详细变量

图4 汽车底盘纵横梁详细变量

图5 汽车底盘后横梁详细变量

汽车底盘后半部分主要由前横梁、纵臂、纵横梁、后横梁以及加强焊盘五大主要部分组成，结构的主要要素就是结构的大小、厚度、结构的截面面积、各个结构间的搭接面积、结构的位置和空间之间的连带关系。本文借助计算机画图软件完成汽车底盘的模拟构架，将汽车底盘后半结构的各个特征点转化为变量值，每一个变量值都设定一定的取值范围，为后期计算提供便利[11-12]。每个变量的取值范围是根据汽车底盘后半部分结构尺寸、位置以及空间姿态合理确定的，设计变量的取值范围如表1 所示。

表1 变量取值范围mm

2 基于压力分布云图的汽车底盘后半部结构优化

2.1 压力分布云图

汽车及流场分析有限元模型如图6 所示。

图6 汽车及流场分析有限元模型

压力分布云图由压力分布单元、信息处理采集单元以及软件系统构成，压力分布图是将以上三部分进行集成，用来展现事物压力结构情况[13]。汽车的压力分布云图如图7 所示。

图7 汽车压力分布云图

根据图7 可知，本文汽车底盘后半部结构压力分布云图在绘制过程中要引入一个速度矢量图，表明汽车不同速度下汽车底盘后半部结构对于外流气体相互作用情况。速度矢量图可以明显地表现出汽车结构在运行过程中微小的变化，压力分布云图是标量图，两个变量图相互补充。

压力分布云图在构建过程中首先将汽车底盘结构不变的位置绘制为蓝色，气流速度为红色进行区分。汽车在运行过程中，底盘后半部结构受到的冲击力被前部分阻挡，因此底盘受到的冲击力会有所减少，冲击力一部分沿着汽车的前舱盖、前挡风和顶盖离开汽车，另一部分经过进气格栅，剩余的气流经由汽车底部离开汽车。向后的气流进入进气格栅后，前悬架附近存在两个对称的涡流，气流在轮罩处向后流经汽车底部和顶盖的气流相遇，向汽车后方流去[14]。本文模拟汽车的速度为120 km/h，速度的变化范围是0～40 m/s。不考虑天气等极端因素对汽车行驶的影响，本文构建汽车底盘后半部的压力分布云图和速度矢量图，然后根据计算结果对汽车底盘后半部结构进行优化分析。

2.2 结构优化

通过以上风洞模型、完成汽车外流场数值模拟并建立汽车参数化有限元模型、构建压力分布云图和速度矢量云图，对汽车底盘后半部结构进行分析，具体优化汽车底盘的悬架、制动结构以及转向结构。

电池包结构优化如图8 所示。

图8 电池包结构优化

悬架结构优化如图9 所示。

图9 悬架结构优化

将后悬梁下护板后方左右纵梁向前延长0.213 m，后悬梁的长度增加0.30 m，宽增加0.40 m，高增加0.50 m，这样构建一个固定直角三角形，有利于汽车底盘后半结构的坚固性，然后左右悬梁延长0.40 m，减少安装尺寸[15]。

对于汽车底盘后半部分转向结构的优化是减少汽车行驶过程中的风阻系数，通过风洞模型的建立，可以知道虽然汽车底盘对于外界的风冲击受力少，但是也存在一定的影响。将汽车底盘空间位置向发动机偏移30°，这样就可以增加汽车底盘的风抗系数，使汽车底盘后半部结构在运行过程中汽车动能最大化。

通过压力分布云图分析汽车在运行过程中的湍流动能消耗情况，正常的汽车湍流动能消耗对于汽油的使用量比例为30 J/kg，但是传统底盘结构的汽车湍流动能消耗为50 J/kg。这是因为汽车的制动系统不灵活，在汽车调整速度时，制动系统不能灵活地进行调档，因此将汽车底盘的制动系统结构缩小，并且在制动结构的各个连接点增加一个触动节点。根据发动机的制动情况合理控制制动系统的制动速度，保证汽车底盘后半部制动结构在汽车运行过程中的灵活性，提高汽车的性能。

3 模拟实验研究

为了验证本文提出的基于风洞模型和压力分布云图的汽车底盘后半部结构优化方法的有效性，与优化前和传统的优化方法进行模拟实验对比。

汽车原始参数如表2 所示。

表2 汽车原始参数

根据上述实验参数，选用本文提出的优化方法和传统优化方法计算汽车的风阻系数，得到的实验结果如表3 所示。

表3 优化风阻系数实验结果

根据表3 可知，传统的优化方法对于悬架装置、传动装置、电池包装置和下护板装置的优化能力都十分有限，优化后风阻系数下降也相对较低，优化过程容易受到汽车底部气流影响，所以虽然优化后汽车的整车阻力系数下降，但是整体优化效果不明显。本文提出的方法对汽车底盘后半部的每部分结构都能够优化，通过优化电池包和悬架的阻力系数，来降低整车的阻力系数。

车辆优化前后消耗能量如图10 所示。

图10 车辆优化前后消耗能量

根据上图可以更加直观地分析能量损失情况，损失的面积越大，损失的能量越多，汽车的动能越差。图10 表示，传统方法和本文方法都能减少汽车的能量损失，但是本文提出的方法能量损耗明显小于传统方法的能量损耗，尤其是悬架结构和电池包，本文提出的优化模型表现出明显的优势，能够确保整车消耗能量降低，从而提高车辆的动力性能。

4 结束语

本文为确定汽车底盘后半部各个结构的特点，分别构建压力分布云图、参数化有限元模型，并进行汽车运行模拟，精确化汽车底盘后半部结构的功能和各个结构之间的关系，最后对汽车底盘后半部的底盘悬架、制动结构以及转向结构进行优化处理，达到了本文的研究目的。