車輛后備箱變容設計及外流場數值模擬分析

解 瑞 雪， 張 明 恒,2， 胡 平*,2， 王 帥， 趙 秀 棟

( 1.大連理工大學 工業裝備結構分析國家重點實驗室， 遼寧 大連 116024；2.大連理工大學 汽車工程學院， 遼寧 大連 116024 )

車輛后備箱變容設計及外流場數值模擬分析

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 工業裝備結構分析國家重點實驗室， 遼寧 大連 116024；2.大連理工大學 汽車工程學院， 遼寧 大連 116024 )

功能多元化及實用化是當前車輛工程領域的研究熱點和趨勢．針對家庭經濟型轎車的實際應用需求，從車輛后備箱容積可變角度開展研究工作．首先，基于機構再生運動鏈理論對后備箱變形機構的基本結構進行設計；其次，為獲得最優的機構設計方案，對車輛變形前后的氣動性能進行數值模擬分析，并根據模擬分析結果對設計方案進行相應改進．研究結果表明，設計的變形機構滿足設計目標要求，能夠完成車輛在三廂形態與兩廂形態之間的變形，且三廂形態車輛的阻力系數小于兩廂形態，有一定的氣動性能優勢．相關研究結果為可變容積車輛設計提供了理論分析依據和實踐參考．

車輛變形設計；計算流體力學；數值模擬；阻力系數

0 引 言

隨著汽車技術的快速發展，人們對交通工具提出了更高要求．對于普通消費者，購買多款不同類型車輛實現不同的出行目的逐漸成為一種發展趨勢．與此同時，城市的交通環境狀況日益嚴峻，這迫使相關管理部門不得不采取類似汽車限購等措施來應對擁堵與環境污染等問題[1]．因此，消費者需求多元化與節能減排、低碳經濟的矛盾成為汽車行業進一步發展所面臨的一大社會經濟問題．交通工具的功能多元化研究是解決該問題的關鍵所在，同時也是未來行業發展的趨勢與研究熱點．

目前車輛的變形技術研究主要體現在三方面：最小離地間隙、軸距和后備箱容積．科研人員在總結車輛變形領域已有成果基礎上，從車輛設計本身出發，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，可以根據消費者的實際需求進行變形，達到一車兩用或一車多用的目的．

已有研究中，大箱擴容方案均是在不改變車輛外形基礎上，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行改型，使車輛具備三廂形態與兩廂形態，且兩種模式間可進行相互切換，以克服現有三廂轎車后備箱容積較小、載物受限的缺陷．

1 變形機構設計

本文的設計目標為以現有三廂轎車為設計平臺開展后備箱變形設計，使車輛具備三廂與兩廂形態間自由切換的功能．為達到上述設計目標，經過對設計平臺的詳細分析，本文提出了如圖1所示的變形設計方案．

圖1 變形設計方案

1.1 變形機構的抽象及簡化

基于上述變形方案，后備箱在繞旋轉中心轉動基礎上還耦合有桿件的平動，系統桿件自由度為2．基于機構再生運動鏈理論[2]，設計的機構運動簡圖圖譜如圖2所示．4種方案均由七桿機構構成，理論上均能夠完成預定的變形要求．方案一和方案三均含有三副構件，方案復雜，運動不易控制；方案四中機構尺寸較大．方案二的約束運動結構為1、2、3、4四桿機構，主要運動可看作1、2、3、4桿的四桿平面運動，5、6桿主要起到死點支撐作用，可以在兩廂模式下對機構起到支撐作用．該方案簡潔穩定，因此本文選擇方案二進行機構設計．其中部件2與3間的運動屬于一種復合運動，因此需要對該處進行詳細的結構設計和優化．

圖2 變形機構設計方案簡圖

1.2 主要變形機構設計及動力學仿真

根據平移旋轉復合運動的要求，所設計的弧形滑道機構如圖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向作用，便于內插．同時，以12 V直流電機為動力源，結合滑塊和弧形滑道的運動關系，即可實現機構的自由變形．

圖3 弧形滑道機構布置圖

為驗證所設計機構的合理性及對驅動電機進行合理估計，本文在Adams中建立了對應的機構模型并進行了運動仿真分析．仿真基本參數為后車窗質量15 kg，后備箱質量20 kg，質心均位于幾何中心，最大開啟角度80°，運動仿真結果如圖4所示．由圖可知，后窗的開啟角速度ω變化平穩，要求的最大電機功率為280 Nm/s，說明所設計的后車窗自動開閉機構可以滿足設計目標要求．

圖4 后窗開啟角速度及電機功率

1.3 變形機構布置

基于上述變形方案，本文設計的變形機構整體布置如圖5所示，其中包括7個子機構．后車窗與后備箱上平面可經弧形滑道機構移動構成兩廂時的尾部頂面，后備箱垂直面形成兩廂時后垂直面的上半部分，該變形動作是整個變形過程的核心．尾部兩側及尾部后垂直面下半部分未封閉處分別由側垂直面及后垂直面配板加以封閉．圖6為樣車變形機構布置實圖，圖7為實車照片．

圖5 機構布置圖

圖6 樣車變形機構布置實圖

(a) 三廂轎車

(b) 兩廂轎車

圖7 實車照片

Fig.7 Real car photos

2 外流場數值模擬分析

2.1 外流場數值模擬

對設計平臺進行逆向工程處理后即可獲得車輛的實體三維模型，在不改變流體軌跡整體走向的前提下，本文對該模型進行了相應簡化：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行了具體數值模擬分析，采用的基本參數與模型方法為計算域：車前3倍車長，車后6倍車長，頂部4倍車高，左右側部各3倍車寬[3]；網格：四面體+邊界層網格[4]，車身及尾部區域網格細化，生成三廂網格459×104，兩廂網格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：一階迎風格式+二階迎風格式；求解器：分離式求解器．

2.2 模擬結果分析

2.2.1 阻力系數分析 阻力系數是汽車空氣動力學性能中最重要的評價指標，由車輛外形決定，氣動阻力系數越小，轎車行駛時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禂祦砻枋鯷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為車輛迎風面氣動阻力．三廂車與兩廂車氣動阻力系數如表1、2所示．

表1 三廂形態阻力

表2 兩廂形態阻力

數據顯示，三廂形態的空氣阻力系數略小于兩廂形態的，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，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容積車輛在兩種形態下阻力產生差異的原因，引入車身表面壓力分布．為測量對稱面壓力系數β，在車輛對稱面曲線上各布置24個測點，測點分布如圖9所示．圖10為對稱面上表面壓力系數曲線．

(a) 三廂形態

(b) 兩廂形態

圖9 車輛測點分布

Fig.9 Measuring points distribution of vehicle

在1～14號測點，兩組數據基本相同，尾部的變化未對車身前部壓力產生較大影響，但15～24號測點區域則差距明顯．車輛處于三廂形態時，由于后車窗與車頂夾角較大，且沒有圓滑過渡，當氣流流經此處時發生嚴重分離并產生較大的負壓，壓力系數為-2.25(16號測點)．此后氣流速度逐漸降低，當氣流流經后擋風玻璃與行李艙頂蓋連接處時(19號測點)，由于對氣流的阻擋，壓力系數增大為0.25．當氣流流經行李艙蓋邊緣時，氣流速度小幅度增加．相比之下，變形后兩廂形態車輛頂部過渡圓滑，氣流更為平順．

2.2.3 車輛外流場流態分析 通過對稱面上表面壓力系數分布，只能較淺顯地分析影響兩種形態氣動性能的關鍵因素，本節利用外流場流態分析手段，對車輛外流場進行深入分析[8]．在模型尾部創建10個截面，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，分析車輛兩種形態下尾部渦流的形成和發展、漩渦的強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]．三廂形態上部渦流較小，原因是三廂形態尾部垂直面高度較小，部分側面氣流流過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，在矢量圖中表現為長條狀．兩廂形態由于尾部垂直面高度大，上部側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小．

隨著截面到車尾距離的增加，下部渦流逐漸向周圍發展，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，三廂形態與兩廂形態尾部不同位置的湍流動能分布差異較大．任一截面處，三廂形態的湍流動能都低于兩廂形態，尾部渦流攜帶的能量較小，故三廂形態比兩廂形態阻力小，與氣動阻力系數表現出的結論一致．同時三廂形態上部渦流較小，與截面速度矢量圖的結論吻合．兩廂形態尾部渦流湍流動能大，兩對渦流核心更為靠上，流線相對三廂形態更不規則．

2.3 模擬結果優化

由上述仿真模擬結果可知，兩廂形態阻力系數高的主要原因是尾部后車廂垂直高度大．但考慮到變形車項目的目的，兩廂形態追求空間體積大，重視實用性能，因此尾部傾角不宜減?。龓螒B尾部傾角大，分離嚴重，而且不涉及太多空間限制，有必要對三廂形態的尾部造型進一步優化，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 (b) 兩廂形態

為獲得優化的外形結構，本文通過引入后假想角參數對車身外形變化與復雜的氣流現象進行優化分析[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的關系如圖15所示．可見，對于箱形車身，后假想角θrt在20°附近時對氣動阻力系數的降低有較大影響；對于階背式車身，后假想角θrt在20°附近且θrwt=25°時對氣動阻力系數的降低有較大影響．因此，本文根據這種變化規律，將優化改進的目標設定為θrt=20°，θrwt=25°．基于該優化目標，本文分別對原車模型的尾部進行了改進并進行了相應的模擬分析，分析結果如圖16所示．可見，優化后車輛壓力系數為0.290，相比優化前(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的關系

Fig.15 Relationship between rear hypothetical angle andCD

3 結 語

本文基于對車輛的功能多元化需求，從車輛后備箱變容角度開展變形方案與變形機構的相關設計研究工作．目前所設計的變形機構執行方案已經在樣機上進行了應用，變形過程穩定，未產生干涉現象，從實踐上證明了該設計方案具有簡單易行、可靠性較高的特點．變形機構的運動仿真結果表明所提出的設計方案具有良好的動力學性能．同時，車輛變形前后的外流場數值模擬分析結果表明，三廂形態的阻力系數較小，升力系數略大于兩廂形態，尾部形態對前部車身壓力分布影響不大，較兩廂形態而言，三廂形態具有一定的氣動性能優勢．

結合具體實踐過程還應著重在以下方面進行深入研究：由于所給出的設計方案涉及多運動部件間的耦合性運動關系，各桿件的運動速度、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動部件的運動特性從整體上對其進行合理的控制策略優化．

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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”國家科技支撐計劃資助項目(2013BAG05B01).

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

U463.82

A

10.7511/dllgxb201504002