基于UG和ANSYS軟件的大學生方程式賽車車身設計與流場分析

馬 健,王 瑋,王凱鵬（南京農業大學,南京 210031）

基于UG和ANSYS軟件的大學生方程式賽車車身設計與流場分析

馬 健,王 瑋,王凱鵬
（南京農業大學,南京 210031）

摘 要：UG軟件具有強大的曲面建模功能，其無差化的草繪曲線和三維曲線功能給實際建模過程帶來便利條件。本文通過對已知大學生方程式賽車車架進行車身的設計建模，并通過有限元分析軟件ANSYS 中FLUENT模塊對賽車車身進行流場分析，驗證賽車車身良好的空氣動力學性能。

關鍵詞：UG；大學生方程式賽車；車身；流體分析

1　前言

大學生方程式汽車大賽被譽為汽車工程師的搖籃，參賽對象主要為大學在校學生，允許少量研究生參與，但對人數有著嚴格的限定，目標為培養一批具有優秀動手能力、自主開發能力的未來汽車工程師，同時大賽規則對賽車進行嚴格的限定，使得設計更為復雜。本文利用UG的輔助設計對已有車架進行車身設計，并ANSYS軟件進行有限元分析以得到具有優良空氣動力學性能的車身。

2　大學生方程式賽車車架

大學生方程式賽車車架如圖1所示，賽車車架作為各零部件的載體，對各零部件起到支持、連接作用，同時也受到來自自賽車內外的各種力的作用。在對車架設計初期必須考慮到車架應該有足夠的強度來支撐車體在各種工況下而不會斷裂，同時有足夠的剛度來克服車架的形變，以免對車上各零部件間的配合產生影響。在滿足上述剛度與強度條件下還需要滿足質量盡可能輕，本文選取車架為桁架式結構，選用4130鋼管經過氬弧焊焊接完成后能夠滿足上述條件。

3　大學生方程式賽車車身

大學生方程式汽車大賽作為一項追求比賽速度的賽事，車身空氣動力學性能的好壞對比賽成績影響是巨大的，車身曲面的平順性，連續性又對空氣動力學特性有著較大的影響。UG軟件強大的曲面建模能力能夠使車身曲面更加平順，使氣流不易從車身表面分離，從而對車身空氣動力學性能產生較好影響。

4　車身模型的建立

首先將已有車架模型導入UG軟件中，利用UG軟件中自上而下的建模形式，在已有車架的情況下對車身進行設計，能夠更好地將車身與車架進行配合，有效防止了與車架干涉問題和車身與車架間空余空間過大的問題[1]。通過已有車架模型對車身主要曲線進行構建，在構建曲線中由于車身本身是對稱的，本文采取對半邊車身進行建模，在完成半車身建模后，利用軟件鏡像功能將半車身鏡像成完整車身；在曲線構造上采用B樣條曲線進行構造，同時添加必要的約束，保證建模完成后車身的光順性。

在對車身主要曲線構建完成后，根據不同的情況采取直紋曲面、網格曲面、橋接曲面、有界曲面、縫合曲面等命令完成賽車車身的初步設計。在初步設計完成后，利用UG自帶曲面分析功能分析觀察曲面，避免出現大的縫隙和不光順的情況發生，根據分析結果進行修改和再分析，直至達到曲面的光順和造型的美觀[2]?；谲嚰艿能嚿砬€和整體車身曲面如圖1和圖2所示

5　車身模型的流體分析

車身空氣動力學研究可以通過：風洞實驗、實際測試、數值計算法等，但風洞試驗費用較高，而且風洞實驗室數量較少，并不是每個學校都有相應的設備；實際測試必須要等到整車完成裝配后才可以進行，具有很大的局限性；因此在設計初期采用CFD（計算流體力學）進行數值模擬分析，該方法克服了以上方法的局限性。本文通過ANSYS 軟件中FLUENT模塊對所建立的車身模型進行三維流場分析，驗證賽車車身的空氣動力學性能。

5.1 車身模型的導入

在軟件中模擬在風洞中的真實情況，需要足夠的計算域，為了在ANSYS中處理方便，選擇在UG軟件中建立車前3倍車長，車后7倍車長，上方5倍車高，左右各5倍車寬的區域作為計算域，并對車身模型做了一定的優化處理。車身三維模型增加了人體模型和四個車輪模型，使模型更好的與實際情況相符合，前處理工作完成后將模型導入ANSYS中[3]。

5.2 網格劃分

網格的質量決定了最終求解的可靠性，由于曲面的復雜性，選擇采用四面體網格，在側箱與車身相連接等處曲率變化較大，選用比較小的網格，在前臉等曲面較大的地方，用加大的網格，來保證網格的質量。在ANSYS中選用ICEM模塊進行網格劃分，共劃分網格數為1284018個，節點數為297043個。

5.3 邊界條件的設置與求解

在仿真分析時選用FLUENT模塊，選擇使用k-ε湍流模型，速度入口選擇為20m/s,設置壓力出口，選擇車身表面為無滑移面，左右側面和計算域上表面設置為自由滑移面，選擇迭代步數為1000步進行求解。

5.4 流體分析結果分析

將在fluent模塊中得到的求解結果導入后處理模塊可以得到車身周圍壓力分布云圖和車身周圍流線分布圖如圖4和圖5所示。

從圖4和5可以看出在車頭部和車輪前部以及人體模型前部收到較大壓力，這與實際情況相符合，在車身除車頭部位外壓力分布較為平順，從圖5可以看出在車身附近未發現空氣分離現象。分析結果顯示在給定20m/s時，車身阻力117.9N，升力 160.1N，迎風面積1.267㎡，阻力系數為-0.525，升力系數為0.592。

6　結論

以大學生方程式賽車車架建立車身模型，應用ANSYS軟件對建立的車身模型進行仿真分析，分析結果顯示：

（1）阻力系數為0.525，與乘用車的阻力系數相比較，顯然比較大，但乘用車為封閉式車身，可以取得較好的減阻效果，大學生方程式賽車為開放式車身阻力系數會略高于乘用車水平。

（2）從壓力云圖和流線圖可以看出車身周圍并沒有出現明顯的流體分離現象，減少了空氣阻力的產生，但由于賽車開放式車身的特殊性，車身尾部無法得到有效的車身覆蓋，出現了明顯地渦流現象增大了車身的阻力。

參考文獻：

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

[2]趙波，屠建中.基于空氣動力學的車身造型設計[J].機械設計與制造，2011(07):48-50.

[3]蘇文慧.汽車車身設計及其外圍流場的數值模擬[D].大連：大連理工大學，2005.

作者簡介：馬健(1992-)，男，江蘇南京人，本科，車輛工程專業。