車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)論文

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1、車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)基于理論分析汽車氣動(dòng)力及力矩【摘要】汽車空氣動(dòng)力性是汽車的重要特性之一，氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩是它的主要內(nèi)容。通過運(yùn)用數(shù)學(xué)和物理方法，理論分析氣動(dòng)力及氣動(dòng)力矩的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而與汽車的動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟(jì)性綜合在一起進(jìn)行分析，找到相關(guān)的影響因素，通過改變這些因素來改善汽車性能，合理的選擇相關(guān)參數(shù)，為接下來的設(shè)計(jì)及模擬仿真做好鋪墊。【關(guān)鍵詞】空氣動(dòng)力性氣動(dòng)力氣動(dòng)力矩氣動(dòng)阻力動(dòng)力性燃油經(jīng)濟(jì)性前言汽車空氣動(dòng)力性是汽車的重要特性之一，它直接影響汽車的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱性、舒適性及安全性，它是指汽車

2、在流場(chǎng)中所受的以阻力為主的包括升力、側(cè)向力的三個(gè)氣動(dòng)力及其相應(yīng)的力矩的作用而產(chǎn)生的車身外部和內(nèi)部的氣流特性、側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性、氣動(dòng)噪聲特性、泥土及灰塵的附著與上卷、刮水器上浮以及發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻、駕駛室內(nèi)通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)等特性。當(dāng)一輛汽車以80km/h的速度前進(jìn)時(shí)，有60%的動(dòng)力用于克服空氣阻力。從世界上首款流線型汽車“氣流”誕生開始，迄今為止，國內(nèi)外對(duì)于汽車空氣動(dòng)力學(xué)的研究方法大致分為一般采取試驗(yàn)法、試驗(yàn)與理論相結(jié)合法及數(shù)值模擬仿真研究法。理論研究方法主要是通過數(shù)學(xué)工具來建立空氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律及相應(yīng)初始、邊界條件的

3、理論模型，以揭示氣動(dòng)力產(chǎn)生機(jī)理及作用關(guān)系。而試驗(yàn)及模擬仿真都是在理論研究和計(jì)算的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的，可見理論研究對(duì)于汽車空氣動(dòng)力學(xué)來說是不容忽視的。氣動(dòng)力及氣動(dòng)力矩分析1、氣動(dòng)力及力矩汽車與空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)并相互作用，會(huì)在汽車車身上產(chǎn)生一個(gè)氣動(dòng)力F，這個(gè)力的大小與相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的平方、汽車的迎風(fēng)面積及取決于車身形狀的無量綱氣動(dòng)系數(shù)成正比，可表示為F=qSCF=0.5ρvSCF(1)式中，F(xiàn)為氣動(dòng)力，S為汽車迎風(fēng)面積，CF為氣動(dòng)系數(shù)。圖1為汽車所受氣動(dòng)力及力矩坐標(biāo)表示圖氣動(dòng)阻力FX=qSCD=1/2ρvSCD

4、氣動(dòng)側(cè)力FY=qSCL=1/2ρvSCL氣動(dòng)升力FZ=qSCZ=1/2ρvSCZ氣動(dòng)側(cè)傾力矩MX=FZ*YC-FY*ZC=ρSlCq氣動(dòng)橫擺力矩MY=FX*ZC-FZ*XC=ρSlCN氣動(dòng)縱傾力矩MZ=FY*XC-FX*YC=ρSlCM圖1汽車所受氣動(dòng)力及力矩坐標(biāo)示意圖實(shí)際中上述力和力矩都應(yīng)盡量降低，以保證汽車的機(jī)動(dòng)性和燃油經(jīng)濟(jì)性。而從以上各式分析，車速、車身迎風(fēng)面積是我們可以改進(jìn)的地方?，F(xiàn)代高檔汽車都力求把車身前端盡量做得扁平，減少穩(wěn)流，進(jìn)而減少行駛阻力。2、氣動(dòng)阻力及側(cè)傾力矩汽車氣動(dòng)阻力由壓差

5、阻力FXA、摩擦阻力FXB、誘導(dǎo)阻力FXC、干涉阻力FXD和內(nèi)流阻力FXE五部分組成。氣動(dòng)阻力系數(shù)只與汽車外形形狀有關(guān)，與大小無關(guān)。（1）壓差阻力因它的大小取決于物體的形狀，尤其是物體的后部形狀，故又稱為形狀阻力。對(duì)汽車而言，約占總氣動(dòng)阻力的50%-65%。由流體力學(xué)及伯努利方程可得靜壓強(qiáng)系數(shù)Cp=P-P∞/(0.5ρv∞)=1-(u/v∞)(2)無粘流時(shí)，O點(diǎn)處由（2）式知Cp=1。當(dāng)來流流至A時(shí)，流速由0增到最大值，Cp由1降為負(fù)壓最大值。當(dāng)來流至B時(shí)，流速由最大值降為0，Cp由負(fù)壓最大值增至

6、1。不存在氣動(dòng)阻力。考慮到粘流，O處Cp仍為1，流向A點(diǎn)時(shí)，由于增加了表面粘性阻力的作用，使得流速達(dá)到最大值的點(diǎn)提前，負(fù)壓最大值出現(xiàn)在A點(diǎn)之前。再流至B時(shí)，由于粘性阻力，氣流發(fā)生分離，增大并迅速擴(kuò)散，從而在二元圓柱后部產(chǎn)生湍流區(qū)，有壓力差產(chǎn)生氣動(dòng)阻力a無粘流繞二元圓柱流動(dòng)b有粘流繞二元圓柱流動(dòng)c無粘流流動(dòng)力場(chǎng)d有粘流流動(dòng)力場(chǎng)圖2汽車車身壓強(qiáng)分布（陰影為正壓）圖3粘流有無與氣動(dòng)阻力示意圖（1）摩擦阻力摩擦阻力是由于空氣的粘性作用使得空氣與汽車車身表面產(chǎn)生摩擦所形成的阻力。對(duì)汽車而言，約占總氣動(dòng)阻力的

7、6%-10%。引入附面層定義，即將u=0.99v∞處距物面的距離定義為附面層厚度δ，在附面層內(nèi)有較大的速度梯度?？拷囓嚿肀砻媲安康母矫鎸觾?nèi)，各層氣流之間互不干涉、運(yùn)動(dòng)有序，稱為“層流附面層”；后部附面層內(nèi)的流動(dòng)會(huì)變得雜亂無章，互相干擾，稱為“紊流附面層”。在進(jìn)行汽車造型時(shí)，盡可能使車身表面的氣流為層流附面層，減少紊流附面層和氣流分離。圖4附面層（2）誘導(dǎo)阻力由尾渦誘導(dǎo)形成，是氣動(dòng)升力所產(chǎn)生的縱向水平分力，一般約占?xì)鈩?dòng)阻力的5％～7％。CDi=βCL/(3.14λ)（3）CDi為誘導(dǎo)阻力系數(shù)，λ

8、為寬長(zhǎng)比，β為修正系數(shù)，CL為升力系數(shù)。由上式可知誘導(dǎo)阻力與升力直接相關(guān)，因而要減小誘導(dǎo)阻力，就要設(shè)法減小升力。（3）干涉阻力是由暴露在汽車外部的各種附件引起氣流相互干擾而形成的阻力，對(duì)汽車而言，約占總氣動(dòng)阻力的12%-16%。這些附件包括后視鏡、門把手、雨刷、流水槽、前牌照、照明燈、前保險(xiǎn)杠圖5誘導(dǎo)阻力圖示以及天線和裝飾物等。不僅本身存在氣動(dòng)阻力，而且當(dāng)被裝配到汽車車身時(shí)，會(huì)引起附近區(qū)域氣流的狀況，從而產(chǎn)生一個(gè)附加的氣動(dòng)阻力。這就是空氣動(dòng)力學(xué)干涉現(xiàn)象。（4）內(nèi)流阻力又稱內(nèi)循環(huán)阻力