解 瑞 雪， 張 明 恒,2， 胡 平*,2， 王 帥， 趙 秀 棟

( 1.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024 )

車輛后備箱變?nèi)菰O(shè)計(jì)及外流場數(shù)值模擬分析

解 瑞 雪1， 張 明 恒1,2， 胡 平*1,2， 王 帥1， 趙 秀 棟1

( 1.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院， 遼寧 大連 116024 )

功能多元化及實(shí)用化是當(dāng)前車輛工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和趨勢．針對家庭經(jīng)濟(jì)型轎車的實(shí)際應(yīng)用需求，從車輛后備箱容積可變角度開展研究工作．首先，基于機(jī)構(gòu)再生運(yùn)動鏈理論對后備箱變形機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；其次，為獲得最優(yōu)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，對車輛變形前后的氣動性能進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并根據(jù)模擬分析結(jié)果對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)．研究結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的變形機(jī)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，能夠完成車輛在三廂形態(tài)與兩廂形態(tài)之間的變形，且三廂形態(tài)車輛的阻力系數(shù)小于兩廂形態(tài)，有一定的氣動性能優(yōu)勢．相關(guān)研究結(jié)果為可變?nèi)莘e車輛設(shè)計(jì)提供了理論分析依據(jù)和實(shí)踐參考．

車輛變形設(shè)計(jì)；計(jì)算流體力學(xué)；數(shù)值模擬；阻力系數(shù)

0 引 言

隨著汽車技術(shù)的快速發(fā)展，人們對交通工具提出了更高要求．對于普通消費(fèi)者，購買多款不同類型車輛實(shí)現(xiàn)不同的出行目的逐漸成為一種發(fā)展趨勢．與此同時(shí)，城市的交通環(huán)境狀況日益嚴(yán)峻，這迫使相關(guān)管理部門不得不采取類似汽車限購等措施來應(yīng)對擁堵與環(huán)境污染等問題[1]．因此，消費(fèi)者需求多元化與節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)的矛盾成為汽車行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展所面臨的一大社會經(jīng)濟(jì)問題．交通工具的功能多元化研究是解決該問題的關(guān)鍵所在，同時(shí)也是未來行業(yè)發(fā)展的趨勢與研究熱點(diǎn)．

目前車輛的變形技術(shù)研究主要體現(xiàn)在三方面：最小離地間隙、軸距和后備箱容積．科研人員在總結(jié)車輛變形領(lǐng)域已有成果基礎(chǔ)上，從車輛設(shè)計(jì)本身出發(fā)，提出了車輛變形的全新概念，即汽車本身具備一定的變形功能，可以根據(jù)消費(fèi)者的實(shí)際需求進(jìn)行變形，達(dá)到一車兩用或一車多用的目的．

已有研究中，大箱擴(kuò)容方案均是在不改變車輛外形基礎(chǔ)上，通過有效利用駕駛室后排座椅空間或提升后備箱開口幅度和開口面積(如掀背式方案)，以此獲得盡可能大的后備箱貨物裝載量．本文對家庭轎車的后備箱進(jìn)行改型，使車輛具備三廂形態(tài)與兩廂形態(tài)，且兩種模式間可進(jìn)行相互切換，以克服現(xiàn)有三廂轎車后備箱容積較小、載物受限的缺陷．

1 變形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)為以現(xiàn)有三廂轎車為設(shè)計(jì)平臺開展后備箱變形設(shè)計(jì)，使車輛具備三廂與兩廂形態(tài)間自由切換的功能．為達(dá)到上述設(shè)計(jì)目標(biāo)，經(jīng)過對設(shè)計(jì)平臺的詳細(xì)分析，本文提出了如圖1所示的變形設(shè)計(jì)方案．

圖1 變形設(shè)計(jì)方案

1.1 變形機(jī)構(gòu)的抽象及簡化

基于上述變形方案，后備箱在繞旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動基礎(chǔ)上還耦合有桿件的平動，系統(tǒng)桿件自由度為2．基于機(jī)構(gòu)再生運(yùn)動鏈理論[2]，設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖圖譜如圖2所示．4種方案均由七桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成，理論上均能夠完成預(yù)定的變形要求．方案一和方案三均含有三副構(gòu)件，方案復(fù)雜，運(yùn)動不易控制；方案四中機(jī)構(gòu)尺寸較大．方案二的約束運(yùn)動結(jié)構(gòu)為1、2、3、4四桿機(jī)構(gòu)，主要運(yùn)動可看作1、2、3、4桿的四桿平面運(yùn)動，5、6桿主要起到死點(diǎn)支撐作用，可以在兩廂模式下對機(jī)構(gòu)起到支撐作用．該方案簡潔穩(wěn)定，因此本文選擇方案二進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)．其中部件2與3間的運(yùn)動屬于一種復(fù)合運(yùn)動，因此需要對該處進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化．

圖2 變形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案簡圖

1.2 主要變形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及動力學(xué)仿真

根據(jù)平移旋轉(zhuǎn)復(fù)合運(yùn)動的要求，所設(shè)計(jì)的弧形滑道機(jī)構(gòu)如圖3所示．弧形滑道一方面在變形過程中承受后備箱蓋板的垂直力，另一方面為后備箱變形提供導(dǎo)向作用，便于內(nèi)插．同時(shí)，以12 V直流電機(jī)為動力源，結(jié)合滑塊和弧形滑道的運(yùn)動關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的自由變形．

圖3 弧形滑道機(jī)構(gòu)布置圖

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的合理性及對驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行合理估計(jì)，本文在Adams中建立了對應(yīng)的機(jī)構(gòu)模型并進(jìn)行了運(yùn)動仿真分析．仿真基本參數(shù)為后車窗質(zhì)量15 kg，后備箱質(zhì)量20 kg，質(zhì)心均位于幾何中心，最大開啟角度80°，運(yùn)動仿真結(jié)果如圖4所示．由圖可知，后窗的開啟角速度ω變化平穩(wěn)，要求的最大電機(jī)功率為280 Nm/s，說明所設(shè)計(jì)的后車窗自動開閉機(jī)構(gòu)可以滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求．

圖4 后窗開啟角速度及電機(jī)功率

1.3 變形機(jī)構(gòu)布置

基于上述變形方案，本文設(shè)計(jì)的變形機(jī)構(gòu)整體布置如圖5所示，其中包括7個(gè)子機(jī)構(gòu)．后車窗與后備箱上平面可經(jīng)弧形滑道機(jī)構(gòu)移動構(gòu)成兩廂時(shí)的尾部頂面，后備箱垂直面形成兩廂時(shí)后垂直面的上半部分，該變形動作是整個(gè)變形過程的核心．尾部兩側(cè)及尾部后垂直面下半部分未封閉處分別由側(cè)垂直面及后垂直面配板加以封閉．圖6為樣車變形機(jī)構(gòu)布置實(shí)圖，圖7為實(shí)車照片．

圖5 機(jī)構(gòu)布置圖

圖6 樣車變形機(jī)構(gòu)布置實(shí)圖

(a) 三廂轎車

(b) 兩廂轎車

圖7 實(shí)車照片

Fig.7 Real car photos

2 外流場數(shù)值模擬分析

2.1 外流場數(shù)值模擬

對設(shè)計(jì)平臺進(jìn)行逆向工程處理后即可獲得車輛的實(shí)體三維模型，在不改變流體軌跡整體走向的前提下，本文對該模型進(jìn)行了相應(yīng)簡化：對表面局部凹凸作平滑處理，忽略車身外部后視鏡、雨刮器等突起物；輪胎簡化為圓柱體形狀等．所獲得的車輛幾何模型如圖8所示．

圖8 車輛三維模型

Fig.8 3D model of vehicles

基于上述模型，本文利用ANSYS軟件對車輛變形前后的外流場變化情況進(jìn)行了具體數(shù)值模擬分析，采用的基本參數(shù)與模型方法為計(jì)算域：車前3倍車長，車后6倍車長，頂部4倍車高，左右側(cè)部各3倍車寬[3]；網(wǎng)格：四面體+邊界層網(wǎng)格[4]，車身及尾部區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化，生成三廂網(wǎng)格459×104，兩廂網(wǎng)格436×104；邊界條件：入口流速30 m/s，出口壓力為0，地面為移動壁面，對稱面為對稱邊界，車身表面為無滑移邊界，其他為自由滑移壁面邊界；湍流模型：Realizablek-ε模型[5]；離散格式：一階迎風(fēng)格式+二階迎風(fēng)格式；求解器：分離式求解器．

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 阻力系數(shù)分析 阻力系數(shù)是汽車空氣動力學(xué)性能中最重要的評價(jià)指標(biāo)，由車輛外形決定，氣動阻力系數(shù)越小，轎車行駛時(shí)受到的空氣阻力就越小，油耗也越?。囃庑蔚臍鈩犹匦杂蓺鈩幼枇ο禂?shù)來描述[6]：

式中：正投影面積A=1.05 m2，空氣密度ρ=1.205 kg/m3，車速v=30 m/s，D為車輛迎風(fēng)面氣動阻力．三廂車與兩廂車氣動阻力系數(shù)如表1、2所示．

表1 三廂形態(tài)阻力

表2 兩廂形態(tài)阻力

數(shù)據(jù)顯示，三廂形態(tài)的空氣阻力系數(shù)略小于兩廂形態(tài)的，且尾部的改變對前輪附近的流場影響較小，對后輪附近的流場影響較大．

2.2.2 對稱面上表面壓力分布 作用在汽車上的氣動力與汽車周圍壓力分布直接相關(guān)，而車身表面的壓力分布對汽車的氣動特性有重要影響[7]．為了更好地理解可變?nèi)莘e車輛在兩種形態(tài)下阻力產(chǎn)生差異的原因，引入車身表面壓力分布．為測量對稱面壓力系數(shù)β，在車輛對稱面曲線上各布置24個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)分布如圖9所示．圖10為對稱面上表面壓力系數(shù)曲線．

(a) 三廂形態(tài)

(b) 兩廂形態(tài)

圖9 車輛測點(diǎn)分布

Fig.9 Measuring points distribution of vehicle

在1～14號測點(diǎn)，兩組數(shù)據(jù)基本相同，尾部的變化未對車身前部壓力產(chǎn)生較大影響，但15～24號測點(diǎn)區(qū)域則差距明顯．車輛處于三廂形態(tài)時(shí)，由于后車窗與車頂夾角較大，且沒有圓滑過渡，當(dāng)氣流流經(jīng)此處時(shí)發(fā)生嚴(yán)重分離并產(chǎn)生較大的負(fù)壓，壓力系數(shù)為-2.25(16號測點(diǎn))．此后氣流速度逐漸降低，當(dāng)氣流流經(jīng)后擋風(fēng)玻璃與行李艙頂蓋連接處時(shí)(19號測點(diǎn))，由于對氣流的阻擋，壓力系數(shù)增大為0.25．當(dāng)氣流流經(jīng)行李艙蓋邊緣時(shí)，氣流速度小幅度增加．相比之下，變形后兩廂形態(tài)車輛頂部過渡圓滑，氣流更為平順．

2.2.3 車輛外流場流態(tài)分析 通過對稱面上表面壓力系數(shù)分布，只能較淺顯地分析影響兩種形態(tài)氣動性能的關(guān)鍵因素，本節(jié)利用外流場流態(tài)分析手段，對車輛外流場進(jìn)行深入分析[8]．在模型尾部創(chuàng)建10個(gè)截面，通過對比模型尾部不同位置截面的速度矢量、湍流動能和尾部流線，分析車輛兩種形態(tài)下尾部渦流的形成和發(fā)展、漩渦的強(qiáng)度及分布和氣流的流動情況[9]．尾部截面布置如圖11所示，第1截面距車尾100 mm，第1至第5截面間隔均為100 mm，第5至第9截面各間隔200 mm，第10截面距第9截面400 mm。

圖11 尾部截面布置

圖12是第1、第5和第10截面速度矢量圖．

由圖12看出，車輛尾部形成兩對方向相反的渦流[10]．三廂形態(tài)上部渦流較小，原因是三廂形態(tài)尾部垂直面高度較小，部分側(cè)面氣流流過C柱后與頂面氣流匯合，使得上部渦流不明顯且位置靠下，由于更多地受到下部渦流的影響，在矢量圖中表現(xiàn)為長條狀．兩廂形態(tài)由于尾部垂直面高度大，上部側(cè)面氣流與頂面氣流在尾部形成渦流，渦流位置靠上，下部渦流對其影響較?。?/p>

隨著截面到車尾距離的增加，下部渦流逐漸向周圍發(fā)展，上部渦流逐漸下移，并很快消失．三廂車下部渦流核心位置低于兩廂車下部渦流核心位置．三廂車上部渦流消失較快，兩廂車上部渦流消失較慢．

圖13是第1、第5和第10截面湍流動能分布，圖14為外部流線分布．

由圖13、14可知，三廂形態(tài)與兩廂形態(tài)尾部不同位置的湍流動能分布差異較大．任一截面處，三廂形態(tài)的湍流動能都低于兩廂形態(tài)，尾部渦流攜帶的能量較小，故三廂形態(tài)比兩廂形態(tài)阻力小，與氣動阻力系數(shù)表現(xiàn)出的結(jié)論一致．同時(shí)三廂形態(tài)上部渦流較小，與截面速度矢量圖的結(jié)論吻合．兩廂形態(tài)尾部渦流湍流動能大，兩對渦流核心更為靠上，流線相對三廂形態(tài)更不規(guī)則．

2.3 模擬結(jié)果優(yōu)化

由上述仿真模擬結(jié)果可知，兩廂形態(tài)阻力系數(shù)高的主要原因是尾部后車廂垂直高度大．但考慮到變形車項(xiàng)目的目的，兩廂形態(tài)追求空間體積大，重視實(shí)用性能，因此尾部傾角不宜減小．而三廂形態(tài)尾部傾角大，分離嚴(yán)重，而且不涉及太多空間限制，有必要對三廂形態(tài)的尾部造型進(jìn)一步優(yōu)化，從而提高變形車的氣動性能．

圖12 不同截面上速度矢量

圖13 不同截面上湍流動能

(a) 三廂形態(tài) (b) 兩廂形態(tài)

為獲得優(yōu)化的外形結(jié)構(gòu)，本文通過引入后假想角參數(shù)對車身外形變化與復(fù)雜的氣流現(xiàn)象進(jìn)行優(yōu)化分析[11]．后假想角θrt是車身頂蓋后緣如行李箱邊緣的連線與頂蓋的夾角，后假想角與氣動阻力系數(shù)的關(guān)系如圖15所示．可見，對于箱形車身，后假想角θrt在20°附近時(shí)對氣動阻力系數(shù)的降低有較大影響；對于階背式車身，后假想角θrt在20°附近且θrwt=25°時(shí)對氣動阻力系數(shù)的降低有較大影響．因此，本文根據(jù)這種變化規(guī)律，將優(yōu)化改進(jìn)的目標(biāo)設(shè)定為θrt=20°，θrwt=25°．基于該優(yōu)化目標(biāo)，本文分別對原車模型的尾部進(jìn)行了改進(jìn)并進(jìn)行了相應(yīng)的模擬分析，分析結(jié)果如圖16所示．可見，優(yōu)化后車輛壓力系數(shù)為0.290，相比優(yōu)化前(θrt=20°，θrwt=28.5°)整體降低了15%，車身、前輪和后輪處的阻力均分別下降．

(a) 尺寸

(b) ΔCD-θrt

圖15 后假想角與CD的關(guān)系

Fig.15 Relationship between rear hypothetical angle andCD

3 結(jié) 語

本文基于對車輛的功能多元化需求，從車輛后備箱變?nèi)萁嵌乳_展變形方案與變形機(jī)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)研究工作．目前所設(shè)計(jì)的變形機(jī)構(gòu)執(zhí)行方案已經(jīng)在樣機(jī)上進(jìn)行了應(yīng)用，變形過程穩(wěn)定，未產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，從實(shí)踐上證明了該設(shè)計(jì)方案具有簡單易行、可靠性較高的特點(diǎn)．變形機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真結(jié)果表明所提出的設(shè)計(jì)方案具有良好的動力學(xué)性能．同時(shí)，車輛變形前后的外流場數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，三廂形態(tài)的阻力系數(shù)較小，升力系數(shù)略大于兩廂形態(tài)，尾部形態(tài)對前部車身壓力分布影響不大，較兩廂形態(tài)而言，三廂形態(tài)具有一定的氣動性能優(yōu)勢．

結(jié)合具體實(shí)踐過程還應(yīng)著重在以下方面進(jìn)行深入研究：由于所給出的設(shè)計(jì)方案涉及多運(yùn)動部件間的耦合性運(yùn)動關(guān)系，各桿件的運(yùn)動速度、方向及加速度等因素是影響整體變形速度、能量消耗的重要方面，因此有必要針對各運(yùn)動部件的運(yùn)動特性從整體上對其進(jìn)行合理的控制策略優(yōu)化．

[1] 江澤民. 對中國能源問題的思考[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 42(3):345-359.

JIANG Ze-min. Reflections on energy issues in China [J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2008, 42(3):345-359. (in Chinese)

[2] 顏鴻森. 顏氏創(chuàng)造性機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì):(一)設(shè)計(jì)方法[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 1995(10):39-41.

YAN Hong-sen. Creative mechanism design of Yan:(1) Design method [J]. Journal of Machine Design, 1995(10):39-41. (in Chinese)

[3] 谷正氣,郭建成,張清林,等. 某跑車尾翼外形變化對氣動升力影響的仿真分析[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 32(3):248-252.

GU Zheng-qi, GUO Jian-cheng, ZHANG Qing-lin,etal. Simulation study into the influence of appearance variation of a sport car′s rear wing on the aerodynamic lift [J]. Transactions of Beijing Institute of Technology, 2012, 32(3):248-252. (in Chinese)

[4] 楊 博,傅立敏. 轎車外流場網(wǎng)格生成策略及數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2007, 38(4):8-11.

YANG Bo, FU Li-min. Mesh generation strategies of the external flow field around a sedan and the numerical simulation research [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2007, 38(4):8-11. (in Chinese)

[5] WANG Jing-yu, HU Xing-jun. Application of RNGk-εturbulence model on numerical simulation in vehicle external flow field [J]. Applied Mechanics and Materials, 2012, 170-173:3324-3328.

[6] 張英朝. 汽車空氣動力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)[M]. 北京:北京大學(xué)出版社, 2011.

ZHANG Ying-zhao. Automobile Aerodynamics Numerical Simulation Technology [M]. Beijing:Peking University Press, 2011. (in Chinese)

[7] 顧文領(lǐng),崔俊杰. 基于Fluent的汽車外流場特性研究[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程, 2014, 52(3):55-57, 65.

GU Wen-ling, CUI Jun-jie. Characteristics of car external flow field based on Fluent [J]. Agricultural Equipment & Vehicle Engineering, 2014, 52(3):55-57, 65. (in Chinese)

[8] 覃 群,黎仕增,吳春玲,等. 基于STAR-CCM+的某汽車外流場的數(shù)值模擬[J]. 制造業(yè)自動化, 2012, 34(7):151-153.

QIN Qun, LI Shi-zeng, WU Chun-ling,etal. Numerical simulation of the vehicle external flow with STAR-CCM+ [J]. Manufacturing Automation, 2012, 34(7):151-153. (in Chinese)

[9] Guilmineau E. Numerical simulations of flow around a realistic generic car model [J]. SAE International Journal of Passenger Cars - Mechanical Systems, 2014, 7(2):646-653.

[10] 胡杰樺,谷正氣,何憶斌,等. 汽車尾部流場湍流模型數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2010, 22(2):321-325.

HU Jie-hua, GU Zheng-qi, HE Yi-bin,etal. Numerical simulation and experimental research on turbulent wake of vehicle [J]. Journal of System Simulation, 2010, 22(2):321-325. (in Chinese)

[11] 傅立敏. 汽車設(shè)計(jì)與空氣動力學(xué)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2011.

FU Li-min. Automobile Design and Aerodynamics [M]. Beijing:China Machine Press, 2011. (in Chinese)

Design of vehicle with variable volume trunk and numerical simulation analysis of its external flow field

XIE Rui-xue1, ZHANG Ming-heng1,2, HU Ping*1,2, WANG Shuai1, ZHAO Xiu-dong1

( 1.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China； 2.School of Automotive Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China )

Multi-function and practicality have attracted more attention in the research of vehicle engineering. Based on the requirements for family economic cars, more attentions are paid to the vehicle trunk transforming. Firstly, based on the regenerated movement link theory, the structure of the transformation mechanism for vehicle trunk is designed. Furthermore, in order to obtain an optimal design, a numerical simulation analysis based on aerodynamic performance is conducted, and the improvements are made with these simulation results. The results prove that the proposed mechanical structure design conforms with the requirements and completes the transformation between the forms of sedan and hatchback. The sedan has the smaller wind resistance coefficient than the hatchback, and has the advantages in aerodynamics. The study results supply theoretical support and practical basis for variable volume vehicle design.

variant vehicle design; calculation fluid dynamics (CFD); numerical simulation; drag coefficient

1000-8608(2015)04-0345-07

2014-12-10；

2015-05-28．

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013BAG05B01).

解瑞雪(1990-)，女，碩士生，E-mail:ruixue070809@126.com；胡 平*(1956-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail:pinghu@dlut.edu.cn.

U463.82

A

10.7511/dllgxb201504002