汽车车身造型的计算机辅助设计

１９４一　机械设计与制造　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　第ｌ０期　

２００８年１Ｏ月　

文章编号：１００１—３９９７（２００８）１０—０１９４—０３　汽车车身造型的计算机辅助设计　

陈凌珊（上海工程技术大学汽车工程学院，上海２０１６２０）　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ａｉｄｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　ｂｏｄｙ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ＣＨＥＮ　Ｌｉｎｇ－ｓｈａｎ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０１６２０，Ｃｈｉｎａ）　

【摘要】利用计算机辅助设计方法代替传统的风洞实验进行车身造型建模和ＣＦＤ数值模拟具　有开发周期短，费用低，有良好的复现性，可进行可视化处理等优点。研究表明根据流经车身的速度　大小适当地改变车身的曲线形状将有效地减少气动阻力系数，从而提高汽车的性能。　关键词：车身造型；气动阻力系数；建模；数值计算　：　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｗｉｎｄ　ｔｕｎｎｅｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｒｅｐｌａｃｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ａｉｄｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ：　ｍｅｔｈ。ｄ　ｔｏ　ｃａｒｒｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｕｔ。ｍｏｂｉｌｅ　ｂｏｄｙ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ＣＦＤ　“撇ｒｉｃａｌ　ａｌ　ｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉ帆Ｍａｎｙ：　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｕｃｈ∞ｓｈｏｒｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｐｅｒｉｏｄ，ｌｏｗ　ｅｘｐｅｎｓｅ，ｇｏｏｄ　ｒｅａｐｐｅａｒａｎｃｅ　ａｎｄ　ｖｉｓｉｂｌｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ａｒｅ　３ｈｏｗ￣　ｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　０　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　ｂｏｄｙ　ｃｕｒ＇１）ｅ　ｓｈａｐｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗｉｎｇ　ｔｈｒｏｕｇｈ　：ｔｈｅ　ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　ｂｏｄｙ　ｃａｒｔ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃａｌ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｅｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．　ｉｔ　ｗｉｌｌ　ｅｎｈａｎｃｅ：　

ｔｈｅ　ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄ：Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　ｂｏｄｙ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ；Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃａｌ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；Ｍｏｄｅｌｉｎｇ；　‘Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｖａｌｕｅ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ　，．　—　１　—　—　、，　—　—；—　—　—　—　—　、　、　—　—　—　一１．—　—　—　—　—　—　—　—　—　１Ｆ１　１　１　。ｖ　—　—　—　—　—ｊ　，　—　—ｉｒ　

中图分类号：ＴＨ１６文献标识码：Ａ　１前言　现代汽车凝聚近百年人类工业文明的全部成果。和汽车发展　样，汽车车身发展也历经了结构、性能、外形、安全节能与环保　四个发展阶段，其研究目标也是为了降低汽车燃油消耗量、提高　汽车加速度与最大行驶速度和操纵稳定性，并通过汽车的外形变　化一车身造型予以体珊　１。车身也渐渐成为品牌的标志和象征，代　表着汽车的开发水平。目前车身总成占汽车（乘用车）总质量和成　本的一半左右目，在汽车开发中占有主体地位，起着主导作用。　空气动力学在车身造型设计中具有举足轻重的地位。目前，　汽车空气动力学研究主要有两种方法［３１，一种是进行风洞实验，另　种是利用计算机辅助设计方法进行建模和ＣＦＤ数值模拟，即　计算流体动力学分析。风洞实验结果精度高、可靠性好，但风洞投　资大、实验周期长，存在阻塞效应等，而且不能对整个流场给出详　尽的描述，阻碍了它在汽车设计中的应用。计算机辅助设计与传　统的风洞实验方法相比，开发周期短，费用低，有良好的复现性，　可进行可视化处理，并且可以得出流场内每一点的物理量值。在　过去的十几年中，随着计算机和计算技术的发展，计算机辅助设　计方法已经被越来越多地应用到汽车设计中。　通过计算机辅助设计对现有二款车的车身进行气体动力学　模拟，并提出改进方案。　２汽车气动力分析　

２．１汽车的气动六分力　通常，汽车行驶中所受气动力和气动力矩可以分解为阻力　★来稿日期：２００７—１２—２９　

升力尼、侧向力毋、横摆气动力矩　、纵倾气动力矩　和侧　倾气动力矩Ｍｘ六个分量，称为气动六分力，如图１所示。其中纵　向气动阻力是最大的空气阻力，直接影响汽车的动力性和燃油经　济性，并受制于空动阻力系数ｃＤ。　气动阻力主要由压差阻力、摩擦阻力、诱导阻力、干涉阻力和　内流阻力５部分所组成。其中压差阻力约占汽车总气动阻力的　５０％到６５％，是气动阻力的主要组成部分。　

图１气动六分力不意图　２－２气动阻力系数　气动阻力是随汽车正面面积、来流速度以及气动阻力系数而　变化，汽车的正面面积取决于汽车的外形尺寸。常采用气动阻力　系数来作为评价指标：　ｃＤ：—　：—　７　（１）　（１／２　：ｓ（１　：　

式中：　—气动阻力系数；　气动阻力；　ｐ一空气密度；　第１０期　陈凌珊：汽车车身造型的计算机辅助设计　一１９５一　汽车与空气相对速度，也称来流速度；　Ｊｓ一汽车迎风面积，也称正面面积，即不考虑球面角的影响，　位于足够远（理论上是无穷远）处眼睛所能见到或是照　相机所能拍摄到的面积；　△　一空气流过车身前后的总压力差。　理论上，气动阻力系数只与汽车外形形状有关，与形状大小　和来流速度无关，是—个无量纲数Ｉ５１。当汽车低速行驶时，汽车所　受的气动力和气动力矩对汽车的性能影响较小，当汽车高速行驶　时，气动力对汽车各性能的影响已占主要地位。历史上汽车气动　阻力系数的变化隋况，如图２所示。　

ＣＤ　ｌ０　

ｏ．８　ｏ．６　０．４　Ｏ．２　

＼　＼　＼　

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＼　

１９２ｏ　１９４０　１９６０　１９８ｏ　２０００蓝　图２气动阻力系数的变化　３计算机辅助设计　

３．１白车身建模　目前常用的ＣＡＤ软件有ＡＵＴＯＣＡＤ、ＵＧ、Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ、ＣＡ—　ＴＩＡ、ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ等等，其中ＵＧ从ＣＡＤ、ＣＡＥ到ＣＡＭ都有详细　的模块提供支持，为整个制造行业提供了全面的产品生命周期解　决方法。因此，选用ＵＧ作为车身建模辅助设计软件工具。　汽车车身建模流程，如图３所示。白车身模型，如图４所示。　为进一步分析车身的气动阻力，截取车身对称面上的外形轮廓　（图略）。并以ＩＧＳ的文件格式导出。　图３白车身的建模结构　图４车身模型效果图　３．２网格划分　ＧＡＭＢＩＴ具有非结构化的网格生成能力，能够在形状变化剧　烈的不同部件间采用不连续的网格，从而在保证了精度的同时大　幅降低了网格的数量。ＧＡＭＢＩＴ除了包含几何建模能力，也可以　ＰＲＯ／Ｅ　ＵＧ、ＩＤＥＡＳ　ＣＡＴＩＡ、ＳＯＬＩＤＷＯＲＫＳ　ＡＮＳＹＳ　ＰＡＴＲＡＮ　等主流的ＣＡＤ／ＣＡＥ系统导人几何和网格。　如图５所示，是车身在计算流场中的网格划分图。　图５车身轮廓的网格化　３．３　Ｆｌｕｅｎｔ计算分析　ＦＬＵＥＮＴ是专用的ＣＦＤ软件，用来模拟从不可压流到中等　程度可压流乃至高度可压流范围内的复杂流场。　３．３．１初始条件　标准大气压下空气密度为１．２２５ｋｇ／ｍ３，粘性为１．７８９４ｘｌＯ－Ｓｋｇ／　（ｉｎ·ｓ）；选择ｋ－ｅ湍流模型。　进口边界条件为人口速度；出口边界条件为压力，静压（Ｇａｕｇｅ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）设为１．０１３１０　Ｐａ；地面与车身表面为固壁。　３．３．２车身流场分析　如图６（ａ）所示，是入口汽车速度为６０ｋｍ／ｈ，即１６．６７ｍ／ｓ时的　车身周围的空气流动情况。图中可以看出不同颜色的箭头代表不　同的空气流动速度，颜色越红的区域代表空气流动速度越快，对　车身的阻力也相应越大，反之蓝色的区域代表空气流动速度最慢　的区域。　

（ａ）速度场　（ｂ）静压场　图６空气流动的速度矢量　１９６－　机械设计与制造　Ｎｏ．１０　０ｃｔ．２００８　

３．３．３气动阻力系数ＣＤ值计算与分析　方案三：将图８（ａ）与图８（ｄ）ｔ／￣合。运用ＦＬＵＥＮＴ计算得出阻　计算出车身前后流场的总压力值，如图７所示。根据空气气动　阻力系数公式（１），计算出不同车速时的气动阻力系数，如表１所示。　表１不同车型的空气气动阻力系数　风速（ｍ／ｓ）　气动阻力系数　

影响空气气动阻力系数数值的原因主要有六点：　（１）计算时只考虑了压差阻力。　（２）在车身建模时未画侧视镜等附件，即未考虑干涉阻力。　（３）分析气动阻力系数时未考虑车轮对其的影响。　（４）汽车底盘并不是光滑片面，实际行驶时会出现涡流，增加　空气阻力。　（５）设计中采用２Ｄ分析，无法表现车身表面有细小的曲面　变化，而往往车身表面会由于曲面变化产生小涡流，导致计算结　果偏小，即未考虑诱导阻力。　（６）由于模拟风洞试验，增加了空气与地面间的层流层。　

图７车身前后流场的总压力位置线　４改进设计　

４．１凯越旅行车改进设计　从原型车的模拟计算图中发现在车身尾部存在一个低压区，　上部空气向下形成涡流；而在车头部分，较为垂直的下沿，并且由　于车灯有些为突出，阻碍了空气的流动。车头形状修改设想，如图　８所示。　车头形状修改设想：　图９（ａ）将车灯的位置降低到与机盖在一条弧线上。　图９（ｂ）将下轮廓变为顺滑的曲线形式。　尾部造型的修改设想：　图９（ｃ）采用整体包络的方法，使车尾变成—个光滑的大曲面。　图９（ｄ）用曲线来取代原本的直线形式，利用曲线的凸表面　来保持层流。　总方案为：　方案一：将图８（ａ）与图８（ｃ）组合。运用ＦＬＵＥＮＴ计算得出阻　力系数ｃＤ＝Ｏ．３１。　方案二：将图８（ｂ）与图８（ｃ）组合。运用ＦＬＵＥＮＴ计算得出阻　力系数　＝０．２８。　

力系数　＝０－３１。　方案四：将图８（ｂ）与图８（ｄ）组合。运用ＦＬＵＥＮＴ计算得出　阻力系数ｃｏ＝ｏ．３０。　可见方案二较好。　

（ｂ）　（ｃ）　（ｄ）　图８凯越旅行车的改进方案　

４．２客车车身外轮廓改进设计　方案一：改变车头上部，使其成为一段曲面。使得车身上方的　空气涡流减少。　方案二：使车身前部的斜率加大，使空气经过车身时流动更　加流畅。　方案三：在方案二的基础上，使车身上方的中部形成—段曲面。　可见，改进方案三中的气动阻力系数最小，这是因为，加大倾　斜度的车头，极大地减少了车身上方的空气涡流，而车身上部的　凹曲线，使得车身与模拟箱体之间的横截面积加大，从而降低空　气流速。　一—　５结语　

对不同款型的车身进行ＵＧ建模，使用Ｆｌｕｅｎｔ流体计算软件　对其进行空气流场的计算分析，并通过改变车身曲线形状等一系　列的改进措施，将原车身的气动阻力系数得到了有效的减少，从　而提高了汽车的性能。　计算机辅助车身造型设计将为计算机辅助造型制造提供了　零件模型，增强了今后制造多种款型的车身的能力，缩短了车身　开发在整车开发的中的时间，增加了企业的竞争力。　参考文献　１韩忠浩．汽车造型设计［Ｍ］．沈阳：东北大学出版社，２００５　２李建新现代汽车车身开发关键技术及应用．机电产品开发与创新［Ｊ］，２００５　（５）：６４～６６　３张国忠，赖征海．汽车空气动力　报，２００５，１７（６）：３９—４４　Ｊ］．沈阳大学学