馬 健,王 瑋,王凱鵬（南京農(nóng)業(yè)大學(xué),南京 210031）

基于UG和ANSYS軟件的大學(xué)生方程式賽車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)與流場(chǎng)分析

馬 健,王 瑋,王凱鵬
（南京農(nóng)業(yè)大學(xué),南京 210031）

摘 要：UG軟件具有強(qiáng)大的曲面建模功能，其無(wú)差化的草繪曲線(xiàn)和三維曲線(xiàn)功能給實(shí)際建模過(guò)程帶來(lái)便利條件。本文通過(guò)對(duì)已知大學(xué)生方程式賽車(chē)車(chē)架進(jìn)行車(chē)身的設(shè)計(jì)建模，并通過(guò)有限元分析軟件ANSYS 中FLUENT模塊對(duì)賽車(chē)車(chē)身進(jìn)行流場(chǎng)分析，驗(yàn)證賽車(chē)車(chē)身良好的空氣動(dòng)力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：UG；大學(xué)生方程式賽車(chē)；車(chē)身；流體分析

1　前言

大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽被譽(yù)為汽車(chē)工程師的搖籃，參賽對(duì)象主要為大學(xué)在校學(xué)生，允許少量研究生參與，但對(duì)人數(shù)有著嚴(yán)格的限定，目標(biāo)為培養(yǎng)一批具有優(yōu)秀動(dòng)手能力、自主開(kāi)發(fā)能力的未來(lái)汽車(chē)工程師，同時(shí)大賽規(guī)則對(duì)賽車(chē)進(jìn)行嚴(yán)格的限定，使得設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。本文利用UG的輔助設(shè)計(jì)對(duì)已有車(chē)架進(jìn)行車(chē)身設(shè)計(jì)，并ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析以得到具有優(yōu)良空氣動(dòng)力學(xué)性能的車(chē)身。

2　大學(xué)生方程式賽車(chē)車(chē)架

大學(xué)生方程式賽車(chē)車(chē)架如圖1所示，賽車(chē)車(chē)架作為各零部件的載體，對(duì)各零部件起到支持、連接作用，同時(shí)也受到來(lái)自自賽車(chē)內(nèi)外的各種力的作用。在對(duì)車(chē)架設(shè)計(jì)初期必須考慮到車(chē)架應(yīng)該有足夠的強(qiáng)度來(lái)支撐車(chē)體在各種工況下而不會(huì)斷裂，同時(shí)有足夠的剛度來(lái)克服車(chē)架的形變，以免對(duì)車(chē)上各零部件間的配合產(chǎn)生影響。在滿(mǎn)足上述剛度與強(qiáng)度條件下還需要滿(mǎn)足質(zhì)量盡可能輕，本文選取車(chē)架為桁架式結(jié)構(gòu)，選用4130鋼管經(jīng)過(guò)氬弧焊焊接完成后能夠滿(mǎn)足上述條件。

3　大學(xué)生方程式賽車(chē)車(chē)身

大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽作為一項(xiàng)追求比賽速度的賽事，車(chē)身空氣動(dòng)力學(xué)性能的好壞對(duì)比賽成績(jī)影響是巨大的，車(chē)身曲面的平順性，連續(xù)性又對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)特性有著較大的影響。UG軟件強(qiáng)大的曲面建模能力能夠使車(chē)身曲面更加平順，使氣流不易從車(chē)身表面分離，從而對(duì)車(chē)身空氣動(dòng)力學(xué)性能產(chǎn)生較好影響。

4　車(chē)身模型的建立

首先將已有車(chē)架模型導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件中，利用UG軟件中自上而下的建模形式，在已有車(chē)架的情況下對(duì)車(chē)身進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠更好地將車(chē)身與車(chē)架進(jìn)行配合，有效防止了與車(chē)架干涉問(wèn)題和車(chē)身與車(chē)架間空余空間過(guò)大的問(wèn)題[1]。通過(guò)已有車(chē)架模型對(duì)車(chē)身主要曲線(xiàn)進(jìn)行構(gòu)建，在構(gòu)建曲線(xiàn)中由于車(chē)身本身是對(duì)稱(chēng)的，本文采取對(duì)半邊車(chē)身進(jìn)行建模，在完成半車(chē)身建模后，利用軟件鏡像功能將半車(chē)身鏡像成完整車(chē)身；在曲線(xiàn)構(gòu)造上采用B樣條曲線(xiàn)進(jìn)行構(gòu)造，同時(shí)添加必要的約束，保證建模完成后車(chē)身的光順性。

在對(duì)車(chē)身主要曲線(xiàn)構(gòu)建完成后，根據(jù)不同的情況采取直紋曲面、網(wǎng)格曲面、橋接曲面、有界曲面、縫合曲面等命令完成賽車(chē)車(chē)身的初步設(shè)計(jì)。在初步設(shè)計(jì)完成后，利用UG自帶曲面分析功能分析觀察曲面，避免出現(xiàn)大的縫隙和不光順的情況發(fā)生，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行修改和再分析，直至達(dá)到曲面的光順和造型的美觀[2]。基于車(chē)架的車(chē)身曲線(xiàn)和整體車(chē)身曲面如圖1和圖2所示

5　車(chē)身模型的流體分析

車(chē)身空氣動(dòng)力學(xué)研究可以通過(guò)：風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、實(shí)際測(cè)試、數(shù)值計(jì)算法等，但風(fēng)洞試驗(yàn)費(fèi)用較高，而且風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室數(shù)量較少，并不是每個(gè)學(xué)校都有相應(yīng)的設(shè)備；實(shí)際測(cè)試必須要等到整車(chē)完成裝配后才可以進(jìn)行，具有很大的局限性；因此在設(shè)計(jì)初期采用CFD（計(jì)算流體力學(xué)）進(jìn)行數(shù)值模擬分析，該方法克服了以上方法的局限性。本文通過(guò)ANSYS 軟件中FLUENT模塊對(duì)所建立的車(chē)身模型進(jìn)行三維流場(chǎng)分析，驗(yàn)證賽車(chē)車(chē)身的空氣動(dòng)力學(xué)性能。

5.1 車(chē)身模型的導(dǎo)入

在軟件中模擬在風(fēng)洞中的真實(shí)情況，需要足夠的計(jì)算域，為了在ANSYS中處理方便，選擇在UG軟件中建立車(chē)前3倍車(chē)長(zhǎng)，車(chē)后7倍車(chē)長(zhǎng)，上方5倍車(chē)高，左右各5倍車(chē)寬的區(qū)域作為計(jì)算域，并對(duì)車(chē)身模型做了一定的優(yōu)化處理。車(chē)身三維模型增加了人體模型和四個(gè)車(chē)輪模型，使模型更好的與實(shí)際情況相符合，前處理工作完成后將模型導(dǎo)入ANSYS中[3]。

5.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格的質(zhì)量決定了最終求解的可靠性，由于曲面的復(fù)雜性，選擇采用四面體網(wǎng)格，在側(cè)箱與車(chē)身相連接等處曲率變化較大，選用比較小的網(wǎng)格，在前臉等曲面較大的地方，用加大的網(wǎng)格，來(lái)保證網(wǎng)格的質(zhì)量。在ANSYS中選用ICEM模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分網(wǎng)格數(shù)為1284018個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為297043個(gè)。

5.3 邊界條件的設(shè)置與求解

在仿真分析時(shí)選用FLUENT模塊，選擇使用k-ε湍流模型，速度入口選擇為20m/s,設(shè)置壓力出口，選擇車(chē)身表面為無(wú)滑移面，左右側(cè)面和計(jì)算域上表面設(shè)置為自由滑移面，選擇迭代步數(shù)為1000步進(jìn)行求解。

5.4 流體分析結(jié)果分析

將在fluent模塊中得到的求解結(jié)果導(dǎo)入后處理模塊可以得到車(chē)身周?chē)鷫毫Ψ植荚茍D和車(chē)身周?chē)骶€(xiàn)分布圖如圖4和圖5所示。

從圖4和5可以看出在車(chē)頭部和車(chē)輪前部以及人體模型前部收到較大壓力，這與實(shí)際情況相符合，在車(chē)身除車(chē)頭部位外壓力分布較為平順，從圖5可以看出在車(chē)身附近未發(fā)現(xiàn)空氣分離現(xiàn)象。分析結(jié)果顯示在給定20m/s時(shí)，車(chē)身阻力117.9N，升力 160.1N，迎風(fēng)面積1.267㎡，阻力系數(shù)為-0.525，升力系數(shù)為0.592。

6　結(jié)論

以大學(xué)生方程式賽車(chē)車(chē)架建立車(chē)身模型，應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)建立的車(chē)身模型進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果顯示：

（1）阻力系數(shù)為0.525，與乘用車(chē)的阻力系數(shù)相比較，顯然比較大，但乘用車(chē)為封閉式車(chē)身，可以取得較好的減阻效果，大學(xué)生方程式賽車(chē)為開(kāi)放式車(chē)身阻力系數(shù)會(huì)略高于乘用車(chē)水平。

（2）從壓力云圖和流線(xiàn)圖可以看出車(chē)身周?chē)](méi)有出現(xiàn)明顯的流體分離現(xiàn)象，減少了空氣阻力的產(chǎn)生，但由于賽車(chē)開(kāi)放式車(chē)身的特殊性，車(chē)身尾部無(wú)法得到有效的車(chē)身覆蓋，出現(xiàn)了明顯地渦流現(xiàn)象增大了車(chē)身的阻力。

參考文獻(xiàn)：

[1]施鋼.基于UG的大客車(chē)車(chē)身骨架的快速三維建模[J].電子科學(xué)，2008(02):33-34.

[2]趙波，屠建中.基于空氣動(dòng)力學(xué)的車(chē)身造型設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011(07):48-50.

[3]蘇文慧.汽車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)及其外圍流場(chǎng)的數(shù)值模擬[D].大連：大連理工大學(xué)，2005.

作者簡(jiǎn)介：馬健(1992-)，男，江蘇南京人，本科，車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)。