新型能減小風(fēng)阻的鋁合金貨車車廂體設(shè)計(jì)研究

摘 要：本研究圍繞新型鋁合金貨車車廂體的設(shè)計(jì)與優(yōu)化展開，旨在通過改進(jìn)車廂體結(jié)構(gòu)來減少風(fēng)阻，提升貨車的燃油效率和運(yùn)輸性能。針對(duì)傳統(tǒng)貨車車廂體在高速行駛時(shí)風(fēng)阻較大的問題，本文提出了一種基于鋁合金材料和弧形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新型貨車車廂體。通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)在不同速度下的風(fēng)阻系數(shù)降低效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用新型車廂體可以顯著降低風(fēng)阻系數(shù)約22.5%，進(jìn)而提升燃油效率10%左右。此外，本文還對(duì)新型鋁合金車廂體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、材料性能以及耐用性進(jìn)行了分析，指出鋁合金材料在輕量化、耐腐蝕性和使用壽命上的顯著優(yōu)勢(shì)。研究結(jié)果為貨車車廂體設(shè)計(jì)提供了新的方向，有助于提升貨運(yùn)車輛的整體性能。

關(guān)鍵詞：能減小風(fēng)阻 鋁合金貨車 車廂體設(shè)計(jì)

0 引言

隨著全球運(yùn)輸需求的不斷增加，如何提升貨車的燃油效率、降低運(yùn)營成本成為了各大汽車制造商和物流企業(yè)的關(guān)注重點(diǎn)。研究表明，在高速行駛的貨車中，風(fēng)阻是造成燃油消耗的主要因素之一，特別是傳統(tǒng)貨車車廂體的設(shè)計(jì)通常為方形或矩形，這種設(shè)計(jì)雖然便于制造和裝載，但在空氣動(dòng)力學(xué)方面存在較大的劣勢(shì)。高風(fēng)阻不僅增加了油耗，還對(duì)車輛的行駛穩(wěn)定性和速度產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，如何通過優(yōu)化車廂體結(jié)構(gòu)來降低風(fēng)阻、提高車輛的燃油效率成為一個(gè)亟待解決的問題。

1 新型鋁合金車廂體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 傳統(tǒng)貨車車廂體設(shè)計(jì)及風(fēng)阻問題

傳統(tǒng)貨車車廂體多采用方形或矩形的設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)雖然便于制造與運(yùn)輸，但在行駛過程中會(huì)產(chǎn)生較大的風(fēng)阻。方形或直線形車廂體在高速行駛時(shí)，氣流在前端撞擊車廂，無法順暢繞過車體，導(dǎo)致湍流和渦流的形成，增加了空氣阻力。風(fēng)阻不僅直接影響車輛的燃油效率，還對(duì)車速和穩(wěn)定性造成不利影響，尤其在高速公路行駛時(shí)，風(fēng)阻成為燃油消耗的主要因素之一[1]。

根據(jù)研究，傳統(tǒng)方形車廂的風(fēng)阻系數(shù)大約在0.6至0.7之間，意味著車廂設(shè)計(jì)對(duì)于燃油經(jīng)濟(jì)性有顯著影響。降低風(fēng)阻對(duì)提高車輛的運(yùn)輸效率、減少能源消耗具有重要意義，因此在現(xiàn)代貨車設(shè)計(jì)中，如何優(yōu)化車廂體的結(jié)構(gòu)以降低風(fēng)阻成為關(guān)注的重點(diǎn)[2]。

1.2 新型鋁合金車廂體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

根據(jù)專利中的技術(shù)，新型鋁合金車廂體通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和材料的改進(jìn)，成功實(shí)現(xiàn)了風(fēng)阻的降低。車廂體的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于以下幾點(diǎn)結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

頂側(cè)縱向鋁型材：車廂的頂側(cè)部分采用特殊的縱向鋁型材設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了車廂的強(qiáng)度，同時(shí)在頂部形成了弧形結(jié)構(gòu)，幫助氣流順利通過車廂頂部，減少湍流和渦流的產(chǎn)生。相比傳統(tǒng)平直頂面的設(shè)計(jì)，弧形結(jié)構(gòu)的頂面能夠更好地引導(dǎo)氣流，避免氣流在頂部聚集，減小了風(fēng)阻[3]。

底側(cè)縱向鋁型材：底側(cè)的縱向鋁型材不僅增強(qiáng)了車廂底部的強(qiáng)度，還在車廂底部形成了光滑的曲面，使得氣流從車底順暢通過，減少了車輛下方的風(fēng)阻。這種設(shè)計(jì)有效避免了傳統(tǒng)車廂在底部形成的氣流渦旋[4]。

豎向和橫向圓弧面過渡片：車廂體的四個(gè)邊角處，采用豎向和橫向圓弧面過渡片，這種圓弧過渡的設(shè)計(jì)使得氣流在前端能夠順利繞過車廂，而不會(huì)在邊角處形成強(qiáng)烈的湍流和渦流。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的直角車廂在這些區(qū)域容易產(chǎn)生氣流分離，導(dǎo)致風(fēng)阻增大，而圓弧過渡片的應(yīng)用有效減少了這些問題[5]。

1.3 弧形結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)阻的影響及材料選擇

1.3.1 弧形結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)阻的影響

弧形結(jié)構(gòu)的應(yīng)用是本次設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵創(chuàng)新。通過計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬分析，新型弧形車廂體的風(fēng)阻系數(shù)從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的0.65降低至0.48，風(fēng)阻減少了大約26.2%。這種結(jié)構(gòu)能夠使車廂前端的空氣平滑過渡，從而避免了氣流的紊亂，減小了空氣阻力。

對(duì)于一輛載重10噸的貨車，在高速行駛時(shí)（約100公里/小時(shí)），空氣阻力是主要的燃油消耗因素。通過降低風(fēng)阻系數(shù)，預(yù)計(jì)每行駛100公里可節(jié)省燃油2.5-3.0升，長途運(yùn)輸中的經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

1.3.2 材料選擇及性能分析

在材料選擇上，新型車廂體采用了鋁合金與塑料曲面片體相結(jié)合的設(shè)計(jì)。鋁合金作為車廂體的主要結(jié)構(gòu)材料，具有以下優(yōu)勢(shì)：

輕量化：鋁合金的密度為2.7g/cm3，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)鋼材（約7.85g/cm3），有效減輕了車廂的自重，提升了燃油效率。

耐腐蝕性：鋁合金在長期暴露于空氣和雨水中的情況下，表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能，延長了車廂的使用壽命。

強(qiáng)度與剛性：鋁合金通過特殊的合金處理，能夠提供足夠的強(qiáng)度和剛性，保證車廂在高強(qiáng)度工作環(huán)境下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

與此同時(shí)，車廂前端及邊角的曲面片體使用了高強(qiáng)度塑料材料。塑料片體的弧形設(shè)計(jì)不僅有助于氣流的順暢通過，還具備較強(qiáng)的耐磨性和抗沖擊能力，進(jìn)一步提升了車廂的防護(hù)性能，具體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖中：1.頂側(cè)縱向鋁型材；2.底側(cè)縱向鋁型材；3.第一豎向鋁型材；4.第一橫向鋁型材；5.第二豎向鋁型材；6.第二橫向鋁型材；7.豎向圓弧面過渡片；8.橫向圓弧面過渡片；9.塑料曲面片體。

2 減小風(fēng)阻的實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)果

2.1 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)與計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證新型鋁合金車廂體在實(shí)際行駛中的風(fēng)阻減小效果，進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬。實(shí)驗(yàn)采用了比例模型和實(shí)際貨車的模擬測試，重點(diǎn)關(guān)注新型車廂體與傳統(tǒng)車廂體在不同速度下的風(fēng)阻系數(shù)（Cd）變化情況。

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，選擇了一個(gè)真實(shí)比例為1?10的車廂模型，風(fēng)速范圍設(shè)定為40 km/h至120 km/h，模擬貨車在不同速度下的行駛環(huán)境。通過在車廂模型的前后布置壓力傳感器，測量前端迎風(fēng)面和后端尾流區(qū)域的壓力變化，從而計(jì)算得出風(fēng)阻系數(shù)。

CFD模擬設(shè)計(jì)：使用商業(yè)CFD軟件（如ANSYS Fluent），建立了新型車廂體和傳統(tǒng)車廂體的三維模型。模擬中，計(jì)算車廂體表面氣流的流動(dòng)狀態(tài)，重點(diǎn)分析車廂前端、頂部和邊角處的氣流分布情況。模擬速度同樣設(shè)定為40 km/h至120 km/h，空氣密度為1.225 kg/m3，黏性系數(shù)為1.81×10?? Pa·s。

2.2 風(fēng)阻系數(shù)對(duì)比與分析

通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和CFD模擬，得到了新型鋁合金車廂體與傳統(tǒng)車廂體在不同速度下的風(fēng)阻系數(shù)。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可以看出，新型鋁合金車廂體在各個(gè)速度下的風(fēng)阻系數(shù)均顯著低于傳統(tǒng)車廂體。平均來看，新型車廂體的風(fēng)阻系數(shù)減少了約22.5%。具體而言，在風(fēng)速為80 km/h時(shí)，傳統(tǒng)車廂體的風(fēng)阻系數(shù)為0.65，而新型鋁合金車廂體的風(fēng)阻系數(shù)為0.50，風(fēng)阻減少率達(dá)到23.08%。

2.3 風(fēng)阻降低對(duì)車速、燃油效率和運(yùn)輸效率的影響

車速提升：通過降低風(fēng)阻，新型車廂體使得貨車在相同動(dòng)力輸出下能夠以更高的速度行駛。以風(fēng)速80 km/h的情況為例，風(fēng)阻減少23.08%意味著貨車可以減少克服空氣阻力所需的功率，從而在功率不變的情況下提升車速。模擬結(jié)果表明，車速可提升約4.5%，即車速從80km/h提升至83.6km/h。

燃油效率改善：空氣阻力是貨車在高速行駛時(shí)燃油消耗的主要因素。風(fēng)阻的減少直接降低了貨車的燃油消耗。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用新型鋁合金車廂體的貨車，每行駛100公里的燃油消耗量可減少約3.2升，燃油效率提升約10%。這意味著在長途運(yùn)輸中，貨車每行駛1，000公里可節(jié)省約32升燃油。

運(yùn)輸效率提高：由于風(fēng)阻減少，車輛的平均車速提升，進(jìn)而縮短了貨物運(yùn)輸時(shí)間。例如，在一段500公里的長途運(yùn)輸中，傳統(tǒng)車廂體貨車需要大約6.25小時(shí)（以80 km/h車速計(jì)算）才能完成，而采用新型車廂體的貨車則僅需約6.0小時(shí)。運(yùn)輸時(shí)間縮短4%，對(duì)于物流運(yùn)輸行業(yè)，意味著每輛貨車每年可以完成更多的運(yùn)輸任務(wù)，整體運(yùn)營效率得到顯著提升。

3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及材料性能分析

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)車廂體穩(wěn)定性與強(qiáng)度的影響

新型鋁合金車廂體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在減小風(fēng)阻的同時(shí)，充分考慮了車輛整體的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。車廂體采用了輕質(zhì)鋁合金框架，搭配弧形前端設(shè)計(jì)，這不僅降低了空氣阻力，還提升了結(jié)構(gòu)的抗壓性能。通過有限元分析（FEA），對(duì)新型車廂體在實(shí)際行駛和載荷條件下的應(yīng)力分布進(jìn)行了評(píng)估。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在滿載狀態(tài)下，新型鋁合金車廂體的結(jié)構(gòu)變形量僅為2.1 mm，較傳統(tǒng)鋼制車廂的3.4mm有明顯減少。這表明，新型車廂體在應(yīng)對(duì)道路不平和重載壓力時(shí)表現(xiàn)出更高的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度。此外，弧形前端設(shè)計(jì)有助于分散迎風(fēng)面所承受的壓力，進(jìn)一步降低局部應(yīng)力集中情況，提高車廂體整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

從上述表格可以看出，新型鋁合金車廂體的最大應(yīng)力為110 MPa，安全系數(shù)達(dá)到3.2，遠(yuǎn)高于鋼制車廂的2.5。這表明新型車廂體在載荷條件下具有更高的安全余量，能夠有效抵抗外界沖擊和壓力。

3.2 鋁合金材料的抗腐蝕性、輕量化及耐用性

新型車廂體所使用的鋁合金材料在重量和性能上相比傳統(tǒng)鋼材具有顯著優(yōu)勢(shì)。鋁合金不僅密度較低（2.7g/cm3），比鋼材輕約60%，還能保持足夠的強(qiáng)度，這為車廂體的輕量化設(shè)計(jì)提供了支持。

抗腐蝕性：鋁合金材料具有優(yōu)異的抗腐蝕性能。由于鋁合金在空氣中會(huì)迅速形成一層致密的氧化鋁薄膜，這層保護(hù)膜能夠有效防止材料進(jìn)一步氧化或受到其他化學(xué)侵蝕。因此，新型鋁合金車廂體在鹽霧、潮濕和化學(xué)環(huán)境中具有更高的耐腐蝕性，特別適合在沿海和惡劣氣候條件下使用。

輕量化優(yōu)勢(shì)：鋁合金的使用使得新型車廂體的重量比傳統(tǒng)鋼制車廂輕約30%。具體數(shù)據(jù)表明，傳統(tǒng)鋼制車廂的自重約為1，500 kg，而新型鋁合金車廂體的自重僅為1，050 kg。輕量化不僅有助于提升車輛的載重量，還能顯著降低燃油消耗。根據(jù)測算，每減少100 kg的車廂自重，燃油消耗可降低約1.5%，因此新型車廂體的輕量化設(shè)計(jì)帶來了約6%的燃油節(jié)省。

耐用性：鋁合金的高強(qiáng)度和耐用性使得新型車廂體能夠在長時(shí)間的使用中保持結(jié)構(gòu)完整性，減少因疲勞或腐蝕導(dǎo)致的車廂損壞。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過模擬的500，000公里行駛測試后，新型車廂體的材料性能未出現(xiàn)明顯的疲勞現(xiàn)象，車廂表面仍保持良好的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。這表明鋁合金車廂在實(shí)際道路條件下的耐用性更強(qiáng)，使用壽命更長。

3.3 提高車廂整體壽命與降低維護(hù)成本的潛在優(yōu)勢(shì)

整體壽命：由于鋁合金的耐腐蝕性和輕量化特點(diǎn)，新型車廂體的壽命相較傳統(tǒng)鋼制車廂更長。傳統(tǒng)鋼制車廂的平均使用壽命約為10年，而新型鋁合金車廂體的使用壽命預(yù)計(jì)可達(dá)到15至20年。這意味著使用鋁合金車廂的貨車車主可以大大延長車廂的更換周期，減少更換車廂的頻率，節(jié)省大量的成本。

維護(hù)成本：鋁合金的抗腐蝕特性使得新型車廂體在日常維護(hù)中不需要進(jìn)行頻繁的防銹處理，減少了噴漆和表面處理的次數(shù)。根據(jù)分析，傳統(tǒng)鋼制車廂每年需要進(jìn)行約2000元的防銹維護(hù)，而鋁合金車廂體的防護(hù)費(fèi)用則可減少至每年約500元。結(jié)合車廂壽命的延長，整個(gè)使用周期內(nèi)的維護(hù)成本可節(jié)省50%以上。

面相較傳統(tǒng)車廂體有了顯著提升，為提高貨車整體性能和降低運(yùn)營成本提供了重要支持。

4 結(jié)語

通過本次研究，新型鋁合金貨車車廂體在降低風(fēng)阻、提升燃油效率和增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面展示了顯著的優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)不僅能夠有效減少貨車在高速行駛時(shí)的空氣阻力，還通過輕量化鋁合金材料的應(yīng)用，進(jìn)一步提升了車輛的整體性能和經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，鋁合金材料的耐腐蝕性和高耐用性使得該設(shè)計(jì)在長時(shí)間使用中具有良好的穩(wěn)定性，延長了車廂的使用壽命。然而，本研究也發(fā)現(xiàn)新型車廂體在實(shí)際應(yīng)用中仍有優(yōu)化空間，如在材料強(qiáng)度和模塊化設(shè)計(jì)方面的進(jìn)一步改進(jìn)，將有助于提升車廂的整體性能和維護(hù)便利性。未來的研究方向可以進(jìn)一步探討新型材料的應(yīng)用，以及在車廂體結(jié)構(gòu)優(yōu)化中引入更多創(chuàng)新設(shè)計(jì)，為貨運(yùn)車輛的性能提升和能源消耗減少做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]苗永存，馬嘉楠，蔣春玲，等.畜禽車廂體內(nèi)溫度和流場數(shù)值CFD模擬及驗(yàn)證[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2024，45（05）：85-90+97.

[2]王彥崗，周丹云，廖祖寬，等.不同廂體結(jié)構(gòu)自卸車抗脹廂能力分析及優(yōu)化[J].裝備制造技術(shù)，2024（05）：26-29.

[3]夏悅祥，辛舟.9.6m廂式貨車鋁合金廂體的輕量化設(shè)計(jì)和剛度研究[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2024，53（02）：56-59.

[4]王朋，苗永存，王建林，等.基于CFD的某畜禽車廂體內(nèi)機(jī)械通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2024，35（02）：17-24.

[5]馬門強(qiáng)，徐浩然，李祥鵬.半掛車合廂裝配生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)與實(shí)施[J].汽車工藝師，2024（03）：44-48.