1、 第 50 卷第 2 期 农业工程与装备 2023 年 4 月Vol.50 No.2 AGRICULTURAL ENGINEERING AND EQUIPMENTApr.2023 电动节能车的车身设计 张 锐，张深源，王思满，张 涛，陈修魁，冯端端(信阳学院，河南 信阳 464000)摘 要：应用空气动力学进行电动车车身设计是节能的关键。使用 CATIA 软件完成车身建模，运用 ANSYS 软件中的 FLUID FLOW(FLUENT)模块进行车身的空气动力学分析，可及时发现车身的设计缺陷，通过改进和优化可有效提升电动车的节能性。关 键 词：电动节能车；车身建模；空气动力学 中图分类号：TP3
2、 文献标志码：A 文章编号：20968736(2023)02003104 Design of energy-saving body for electric vehicle ZHANG Rui，ZHANG Shenyuan，WANG Siman，ZHANG Tao，CHEN Xiukui，FENG Duanduan(Xinyang University,Xinyang,Henan 464000,China)【Abstract】The application of aerodynamics for EV body design is the key to energy saving.By usi
3、ng CATIA software to model the body and using the FLUID FLOW(FLUENT)module in ANSYS software to analyze the aerodynamics of the body,the design defects of the body can be found in time,and through improvement and optimization,the energy efficiency of the electric vehicle can be effectively improved.
4、【Keywords】electric energy saving vehicle;body modeling;aerodynamics 汽车在行驶过程中近 60%的动力是用于克服各种阻力，当车速高于 80 km/h 时汽车动力将主要用于克服空气阻力，研究结果表明，当车辆风阻系数降低 1%时，可减少 0.5%左右的能耗1。电动汽车节能技术是推动我国新能源汽车产业可持续性发展的关键。本设计方案以 Honda 中国节能竞技大赛(EV)组比赛为背景，以低阻力、轻量化为原则，基于空气动力学对电动车车身进行节能化设计，以达到提高能源利用率，提升整车操控的稳定性和安全性的目标。1 车身的节能原理 1.1 车
5、身的节能设计 本方案中所设计的电动节能车采用倒三轮结构，具备车身上下部分接合处缝隙小、车轮封闭、基金项目：信阳学院校级科研项目(2021-XJLYB-019)。作者简介：张锐(1990)，男，河南信阳人，助理实验师，主要研究方向为汽车底盘构造。左右对称等优势1。在整车结构中省去了后轮悬挂系统，减少了连杆、减震器、后车架等装置，大幅减轻了车身重量，如图 1 所示。(a)车架俯视图 (b)车架正视图 32 农业工程与装备 2023 年 4 月 (c)车架侧视图 图 1 节能车架结构 1.2 车身的轻量化设计 本方案中所设计的电动节能车车身采用铝合金与复合材料制成，底盘采用碳纤维材料制成，减轻了 6
6、8%的整体重量，实现了车身的轻量化。1.3 车身的外型设计 车辆行驶时受到的空气阻力分为压差阻力与摩擦阻力两部分，降低车辆的风阻系数(Cd 值)是减少能源消耗的关键。车身外表面各个部位法向压力的合力为压差阻力；空气在车身表面产生的切向力的合力为摩擦阻力2。压差阻力产生的原因有以下三种：一是形状阻力，其与车身主体形状有很大关系，是压差阻力的主要来源；二是内循环阻力，一般为发动机冷却系统、车身通风系统所需空气流经车身时形成的阻力；三是诱导阻力，其为空气流经车身时产生的升力所形成水平方向的阻力。2 车身的节能化建模 本方案中所设计的电动节能车为了符合人体工程学、空气动力学方面的要求，按照比赛规则在前
7、期完成了车身的拓扑优化，并以此为基础进行了车身外形的节能化建模。研究表明，Cd 值每减小 1%，可降低车辆能耗 0.5%；车重每减小 1%，能耗可降低 0.7%。综合考虑后参赛车辆采用全包式结构，以减少阻力，降低能耗。使用 CATIA 软件先绘制出车身的整体轮廓，再使用软件的拉伸、扫掠、桥接功能绘制线条以建立车身形态模型，最后运用 ANSYS 软件进行模拟流体分析。电动节能车 3D 模型车身俯视效果和优化后车身俯视效果如图 2(a)、图 2(b)所示。(a)车身俯视图 (b)优化后车身俯视图 图 2 车身 3D 模型 通过对比计算可知，优化后的车身大幅缩减了宽度，相较于优化前减少了 0.117
8、5m2的迎风面积，总迎风面积仅为 0.4425m2。3 车身的空气动力学分析 3.1 车身的空气动力学性能计算 使用有限元分析软件 ANSYS 进行数值模拟，计算流体力学的控制方程需遵循质量、动量、能量守恒定律4，使用有限体积法(FVM)求解流体仿真控制方程。FVM 涉及容积控制方程的离散化和积分，当所有的变量(质量、动量、能量)在时间和空间上呈现周期性、不规则波动时，空气流动为湍流。目前，任何单一的湍流模型都无法解决所有流动条件下的流体力学问题，FLUENT 模块可提供多种模型来满足各类需求，因此本设计选用标准的-k湍流模型。车身外部流场通常为单相、稳定、等温且不可压缩的三维流场，因此，数值
9、模拟实际上就是将车身及车身周围封闭区域分割成尽可能多的网格，以网格上的点代替原来的封闭空间。车身周围气流走向复杂，靠近车体的位置气流速度快，在车尾的位置会出现乱流，进行数值模拟时应按照湍流处理。由Lanunder和Spalding提出并发展的湍流模型曾经被公认为是标准的-k模型，并在发展过程中逐渐形成了零方程模型、一方程模型和两方程模型。由于使用的局限性，零方程模型和一方程模型难以应用于实际工程计算中，而最基本的-k两方程模型则更为实用，可分别代入关于湍动能 k 和耗散率的方程：()MbkikiiYGGxkxdtdk-+|+=(1)第 50 卷第 2 期 张锐等 电动车节能的车身设计 33()
10、()kpCGCGkCxxdtgbgkgiii2231d-+|+=(2)t+=c2tkC=(3)以上式中：GK表示由于平均速度梯度而产生的湍动能；Gb表示浮力影响引起的湍动能；MY表示可压缩湍流波动扩展对总耗散率的影响。G=0.09，C1=1.44，C2=1.92，k=1，=1.3，为默认常数。由于受到实际条件限制，使用 workbench 软件中的 FLUENT 模块进行仿真分析时，只选取距离车身较近的长方体区域作为计算域3。3.2 车身优化前后的动力学分析 在workbench软件中的FLUENT模块中进行节能车空气动力学分析的步骤如下。(1)计算域入口一般为车身长的 35 倍，出口处长度为
11、长车身的 58 倍、宽度为车身的 35 倍，高度为车身的 35 倍。本方案设定计算域的入口为车辆长度的 3 倍，出口长度设为车辆长度的 6 倍、宽度设为车辆宽度的 4 倍、高度设为车辆高度的 3 倍，使用软件中的 Geometry 功能设置风洞的大小，建立车身周围的网格加密区4。(2)首先使用 Mesh 功能设置风洞进口、出口、侧壁、地面，将车身离地间隙设置为 100mm。网格划分完毕后再进行截面，如果网格质量较差则需要对网格大小进行修改。网格划分是模拟分析的关键步骤，本方案设计的车身网格划分质量为 0.8，符合预期设定。(3)在 Setup 中设置各项参数，入口边界条件下的空气速度设置为 8
12、.4 m/s，温度设置为 300 K，出口边界条件表压设为0 Pa，空气密度为1.225 kg/m3，空气粘度为 1.789410-5kg/(ms)。由于迭代步数越高，计算得出的车身阻力系数越真实，因此设置迭代步数为 200 步。3.3 车身的压力分析 在车头和车尾有较高的静压力集中，当空气接近车头时速度会减慢，更多的空气分子被挤压到更小的空间内，导致车头部分压力激增。由于在行驶过程中车头部分的压力较大，阻力以形状阻力为主，当空气流经车身前部时，压力逐渐下降，流经车身顶部时会产生升力，所以此时的压力逐渐上升，如图 3(a)所示。优化后车身的头部的压力得到了明显的改善，车身的 Cd 值明显降低，
13、如图 3(b)所示5-6。(a)不同高度车身的压力分布情况 34 农业工程与装备 2023 年 4 月 (b)优化后不同高度车身压力分布情况 图 3 车身压力分布情况 3.4 车身的尾涡分析 由于车身的外形接近于钝体，所以车辆在行驶时围绕车身流动的气体会在尾部形成尾涡，增大了车身的压差阻力7。车身尾部形成的尾涡如图 4 所示，虽然在低速行驶时的尾涡较小，但在同一流速下车身受到的阻力较大，因为此时车尾部存在的长距离拖曳涡会消耗大量的能量。图 4 电动节能车尾涡 为了使车身拥有更好的空气动力学性能，对尾部进行优化，效果如图 5 所示。优化后的车身不会形成明显尾涡，大幅降低了车身受到的阻力。图 5
14、优化后节能车尾涡 4 结论 本方案中所设计的电动节能车参考了海豚和水滴的外形，基于空气动力学和人机工程学对车身进行了节能化设计，使用有限元分析软件 ANSYS进 行 了 仿 真 分 析，计 算 出 车 身 的 Cd 值 为0.073917181。通过优化车头与车尾的外形改善了头部压力与尾部涡流，大幅降低了车头的压力和车尾的阻力，经过测算，优化后的车身 Cd 值为0.062558294，降阻效果明显。参考文献 1 谷正气.汽车空气动力学M.北京:人民交通出版社,2005.2 林程,王文伟,陈潇凯.汽车车身结构与设计M.2 版.北京:机械工业出版社,2016.3 周力辉,宋东葵.汽车形态语意创新设计:the methodology of creative forming in car designM.北京:清华大学出版社,2017.4 江洪,唐鹏.轿车车身外流场的 CFD 仿真与实验验证J.重庆交通大学学报(自然科学版),2011,30(3):470-475.5 傅立敏.汽车空气动力学M.北京:机械工业出版社,2006:233-235.6 李东阳,田玉荣,袁子昊,等.节能赛车的流线型车身设计与制作J.轻工科技,2018,34(7):47-48 7 黄金陵.汽车车身设计M.2 版.北京:机械工业出版社,2021.责任编辑：张亦弛 英文编辑：吴志立
