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车身开发中的CFD分析 |
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作者：一汽技术中心车身部 范士杰 |
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1. 前言
近年来，继结构有限元分析（FEM）成功地应用于汽车产品开发之后，CFD分析也越来越多地应用于车身开发过程中。车身开发与车内外的气流的分析密切相关，如车身的外形决定了汽车的外流场形态，从而决定了汽车风阻的大小，前部进风口是否合理决定了发动机散热效果。汽车空调系统设计的好坏影响到各出风口的风量分配是否合理以及调节空气质量的能力，机舱流动状况直接影响散热的效果，等等。CFD分析可以用计算机模拟的方法，在设计的前期对上述问题给出及时的预测，对设计进行改进优化，如果在设计阶段不能及时发现这些问题，到定型投产后再改设计，将造成成本和周期上的巨大浪费，市场的损失更是无可挽回的。
CFD分析的原理是计算流体力学，大部分CFD软件利用有限体积法求解流体力学的N-S方程组（非线性方程组），给出流场中所关心的结果。在高档微机上可以进行，在多CPU机器上并行计算，效率会有明显提高。CFD分析不需要实体样车，可以得到比试验更详尽的结果。一汽技术中心近5年来在车身外流、内流方面进行了大量的CFD分析，为设计提供了科学的依据。本文就几个主要方面作一简要介绍。
2. 整车空气动力特性分析与优化
2.1 乘用车气动力特性分析
随着市场竞争的日趋激烈，乘用车的外形设计受到越来越多的重视，现代轿车的风阻（气动阻力系数）越来越小。
一汽技术中心近年来在车身开发中多次成功完成了CFD分析，对阻力系数等进行了预测，与风洞试验的误差可至5%左右。分析所用的数字模型可以来自对油泥模型的测量，如果在外形设计中采用了计算机辅助造型(CAS)，也可以直接由造型软件输出，与CAS联动。如果已有车身有限元分析的数字模型，经过补充，也可以作为CFD分析的原始数据。CFD软件采用Fluent，硬件为多CPU高性能计算机。图1 为M6轿车CFD分析所得的流场。
图1
2.2 商用车气动力特性分析
商用车市场的竞争要求厂家不断降低油耗，提高其运输能力，降低其气动阻力系数是一个重要途径。商用车通常不具有很好的流线型，因此提高其气动性能的潜力更大。一汽技术中心以CFD分析为手段，对平头车驾驶室外形的气动优化进行了系列研究，对各部位分解，分别研究其对减阻的贡献（参见图2）。
图2
对于产品车，通过适当加装导流罩、导流板等措施，可以大幅度降低其阻力系数。图3为某产品车加装导流罩后CFD分析的结果。计算表明，加导流罩后，阻力系数可降低15－20%。
图3
3. 空调系统流动分析
为保证空调系统设计合理，对空调系统进行CFD分析是经济有效的手段。空调系统气流的走向为：风机→三箱总成→风道→各出风口。如果其中某个部分的设计不合理，可能导致各出风口风量差异过大、制冷/制热风量不合理等问题。空调系统CFD分析可分为风机特性分析、三箱/风道流动分析两大类。对风机的CFD分析可以给出其特性曲线，并可对壳体提出改进建议。对三箱/风道的流动分析可以给用各出风口风量分配的比例关系，从而及时对设计做出调整。图4、图5分别为一汽技术中心对空调风机和三箱/风道CFD分析的结果，通过分析，对原设计进行了改进，提高了设计质量。
4. 机舱流动分析
发动机舱的形状直接影响舱内流动状况（与车身有关），一汽利用CFD分析对舱内气流流动进行了分析，改善了舱内流动，提高了散热的效率（图略）。
图6是Opel公司用CFD分析优化机舱和进口格栅形状的情况（右下角为最后结果）。
图6
5. 乘员室流动分析
利用CFD分析可以对乘员室气流及温度舒适性进行分析，对空调出口的气流进行及时的调整，保证乘员室空气的质量，提高舒适性（图7）。 
图7 图8
6. 气动噪声分析
除振动噪声之外的气动噪声是汽车噪声的重要成分，包括外部气流噪声和内部风扇噪声等。利用CFD分析可以给出气动噪声的频谱，通过改进设计，降低气动噪声，提高整车质量（参见图8风扇、图9风扇噪声频谱）。
图9
(end)
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(3/6/2006) |
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