汽車車身設(shè)計(jì)中CFD技術(shù)的應(yīng)用研究

魯顯睿

（貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴陽 550008）

1 應(yīng)用CFD技術(shù)可行性

汽車車身設(shè)計(jì)要保證強(qiáng)度和剛度要求外，還要綜合防振降噪、撞擊安全性、材料侵蝕性和輕量化的全盤考慮和測(cè)試，應(yīng)用CFD技術(shù)大大提高了汽車企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力和設(shè)計(jì)水平，帶來了嶄新的汽車車身設(shè)計(jì)理念和途徑。CFD技術(shù)的發(fā)展已替代了典型流體力學(xué)的近似計(jì)算法和圖解法，如汽車車身流線外形對(duì)性能的影響，汽車尾氣對(duì)街道環(huán)境的污染等。CFD技術(shù)能夠分析從層流到湍流、不可壓到可壓的多種流動(dòng)現(xiàn)象，目前，先進(jìn)國(guó)家已采用CFD技術(shù)與CAD技術(shù)結(jié)合來縮短汽車車身的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，并運(yùn)用CFD技術(shù)改變汽車車身的初始條件和幾何邊界條件，以汽車流場(chǎng)任意點(diǎn)的信息計(jì)算研究流動(dòng)機(jī)理，優(yōu)選汽車車身的空氣動(dòng)力性能等。CFD技術(shù)輔助汽車車身設(shè)計(jì)，加強(qiáng)汽車車身的空氣動(dòng)力學(xué)分析，包括后視鏡氣動(dòng)噪聲評(píng)估和空調(diào)進(jìn)風(fēng)效率分析等。CFD技術(shù)數(shù)值模擬輔助汽車車身設(shè)計(jì)可以提供大量細(xì)致的研究結(jié)果以及汽車設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)，運(yùn)用這些信息與汽車車身設(shè)計(jì)相結(jié)合可以真實(shí)還原汽車車身設(shè)計(jì)的“數(shù)字化”和“具體化”，提高汽車車身設(shè)計(jì)的清晰度和真實(shí)度，使汽車車身設(shè)計(jì)更符合企業(yè)、用戶各方面的需求。

2 應(yīng)用CFD技術(shù)設(shè)計(jì)流程

2.1 常規(guī)步驟

應(yīng)用CFD技術(shù)設(shè)計(jì)流程一般分為具體方案設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)CFD技術(shù)應(yīng)用評(píng)估，汽車車身詳細(xì)設(shè)計(jì)，汽車車身試驗(yàn)驗(yàn)證，汽車投產(chǎn)等環(huán)節(jié)，應(yīng)用CFD技術(shù)設(shè)計(jì)數(shù)值實(shí)驗(yàn)，汽車車身設(shè)計(jì)可以任意選取各類型的參數(shù)，完全不會(huì)被物理模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退拗疲杂啥群挽`活性更強(qiáng)，首先要定義汽車車身設(shè)計(jì)模擬目標(biāo)，然后是定義汽車車身設(shè)計(jì)模型區(qū)域，設(shè)計(jì)和劃分汽車車身設(shè)計(jì)風(fēng)格，接下來進(jìn)行解方程計(jì)算，如設(shè)置數(shù)值計(jì)算模型、計(jì)算及監(jiān)測(cè)方程的解是否與實(shí)際相符，最后檢查結(jié)果，充分考慮汽車車身模型的修正等，劃分網(wǎng)格是CFD技術(shù)模型的幾何表達(dá)形式，也是汽車車身模擬與分析的載體，網(wǎng)格質(zhì)量直接影響CFD技術(shù)計(jì)算精確度和計(jì)算效率，由于網(wǎng)絡(luò)的生成最為耗時(shí)，技術(shù)要求也較高，普通汽車車身設(shè)計(jì)人員容易犯錯(cuò)，造成劃分網(wǎng)格的時(shí)間經(jīng)常大于實(shí)際CFD技術(shù)計(jì)算的時(shí)間。運(yùn)用CFD技術(shù)進(jìn)行汽車車身設(shè)計(jì)時(shí)要設(shè)置好邊界條件，合理的邊界條件才能準(zhǔn)確計(jì)算出流場(chǎng)的解值，對(duì)模擬計(jì)算的各種模型，如湍流模型，采用何種迭代方式，能量方程等，進(jìn)行迭代計(jì)算，直到方程收斂，而收斂前的迭代次數(shù)，和模型求解的難度、網(wǎng)格細(xì)密程度、使用的計(jì)算方法、收斂數(shù)據(jù)等有關(guān)，車身A柱結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車身A柱結(jié)構(gòu)圖例

車身A柱結(jié)構(gòu)包括部件相當(dāng)多：流水槽、油箱口盒、上邊梁加強(qiáng)板、上邊梁、B柱內(nèi)板、上邊梁加強(qiáng)板、上邊梁、前柱、側(cè)圍外板、下邊梁、鉸鏈加強(qiáng)板、B柱加強(qiáng)板、后輪罩板、尾燈板和后柱等，車身部件計(jì)算得越細(xì)，車身設(shè)計(jì)的精確度越高。

2.2 注意事項(xiàng)

在指定邊界類型及區(qū)域類型時(shí)，CFD技術(shù)必須在菜單中指定求解器，然后進(jìn)行具體指定，特別在CFD技術(shù)模擬時(shí)，基本邊界條件應(yīng)包括汽車車身設(shè)計(jì)的流動(dòng)進(jìn)出口邊界、流動(dòng)出口邊界、給定壓力邊界、壁面邊界和對(duì)稱邊界，甚至周期性和循環(huán)邊界等，汽車車身設(shè)計(jì)流動(dòng)是否穩(wěn)定，是否壓縮流動(dòng)，是否為3D模式，計(jì)算區(qū)域是否足夠，邊界條件是否合適，邊界值的設(shè)定是否合理，網(wǎng)格是否提高解的質(zhì)量，解是否隨著網(wǎng)格的自適應(yīng)進(jìn)行系列變化，或者解的網(wǎng)格是否獨(dú)立存在，所以，邊界條件必須正確，而且還要考慮汽車車身設(shè)計(jì)邊界條件是否需要改善等。最后，檢查結(jié)果用可視化工具觀察關(guān)鍵的流動(dòng)特性是否已經(jīng)解決等，在數(shù)值報(bào)告工具可用來計(jì)算定量解，如力和力矩、平均熱傳遞系數(shù)，以及汽車車身設(shè)計(jì)中的面和體積積分、流量平衡等。轎車fluent仿真分析與設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 轎車fluent仿真分析與設(shè)計(jì)圖例

3 結(jié)語

經(jīng)應(yīng)用分析研究，汽車車身設(shè)計(jì)離不開大量的模型測(cè)試，普通模型測(cè)試場(chǎng)所占地面積大、花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)且價(jià)格昂貴，新科技采用CFD技術(shù)數(shù)值分析方法完全可以減少模型測(cè)試的次數(shù)和頻率，最大限度地解決汽車車身設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件不足的難題，為汽車車身設(shè)計(jì)最佳優(yōu)化提供強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，必將帶動(dòng)國(guó)產(chǎn)汽車生產(chǎn)與銷售進(jìn)一步降低成本，加快增長(zhǎng)速度。

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