基于仿生学的汽车车身结构研究

王文龙，马洪新

（德州学院汽车工程学院，山东德州253023）

基于仿生学的汽车车身结构研究

王文龙，马洪新

（德州学院汽车工程学院，山东德州253023）

仿生学作为一门传统学科，其理念已广泛应用于汽车及航空外形结构设计，在整车设计中，仿生结构的运用通常是为了减少风阻，降低汽车油耗以达到节约成本的作用。通过在传统汽车尾部添加具有仿生结构的扰流板和非光滑棱纹并对其进行CFD仿真实验，分别从空气流量分配、最大压力变化和汽车升/阻系数三方面验证了具有仿生结构的汽车与传统汽车相比具有良好的减阻增稳效果。

汽车；仿生学；汽车减阻

仿生学是对生物的结构、功能和形态进行研究并运用到设备设计中的一门学科，自然界物竞天择的规律及选择机制创造出更适应环境的体型及功能，早期的风筝及飞机就是对鸟类形态和功能的模仿。如今汽车行业飞速发展，仿生学在汽车设计中的运用已屡见不鲜，早期的大众“甲壳虫”就是模仿了甲壳虫外形，鸥翼式车门的设计则模仿了鸟类翅膀，但仿生汽车减阻性能在国内鲜有研究[1-2]。本文运用流体力学数值分析（CFD）[3]，模拟车辆仿生结构，分析了其减阻和稳定性机理，为车辆仿生工程的研究和应用提供了理论依据。

1 汽车模型建立

为增加仿真精度，采用与原有汽车1：1的仿真模型分别对传统汽车和添加仿生结构汽车进行建模，考虑到汽车结构复杂性，对汽车模型结构进行简化，建模过程中忽略了雨刷、后视镜等细微结构，仿生结构模型在后窗与箱盖设计中采用了扰流板和棱纹型仿生结构。最终得到的汽车仿真结构尺寸长、宽、高分别为4.2 m、1.5 m和1.3 m，添加仿生结构模型如图1所示。

图1 添加仿生结构模型

2 仿真及分析

在进行网格划分时采用同样的四面体与六面体网格相结合的方法对两种类型汽车进行网格划分，另外，对车辆尾部的结构进行网格细化。这样可以减由网格问题带来的计算误差同时可以减少计算时间和计算误差，在仿真计算中，要保证整个车身和轮胎表面的Y+值，以满足计算的要求。最后确定整个计算域的网格划分数量分别为30万和30.1万，采用汽车行驶速度为100 km/h对两种类型汽车模型进行分析。

2.1 空气流量分配分析

传统和仿生汽车流经车身表面各部位的空气流量比如图2所示，由图可知，汽车在高速行驶时，车身上部流过的气流量最大其次分别为车身侧方和车身底部，添加仿生结构的汽车车身上部气流明显小于原有汽车，车身侧方和车身底部气流量高于原有汽车，带有仿生结构的车身整体气流量减小，降低了车身阻力[4]，通过进一步计算发现：汽车车身上部和下部的流速差从5.3 m/s下降到4.8 m/s，下降了9.4%，压差的降低增强了汽车行驶中的稳定性[5]。

图2 车身表面气流分配图

2.2 汽车纵向压力云图分析

传统汽车与带有仿生结构汽车纵向总压力云图如图3所示，由图可知：传统汽车尾部总压流沿原光滑体表面流动时，在车身尾部失去了边界限制，形成了一个负压力区。随着汽车尾部距离增加，大尺度的涡流不断分裂，反向流动区域变小，直至交汇形成大的压力区，带有仿生结构的汽车，由于汽车扰流板的作用，在低流量更多的汽车底部被吸引到尾部，从而增加了汽车受力面积，降低涡流集中力；同时，仿生行李箱盖进一步减少了尾气的流量，在尾巴上的旋涡，形成一个对称的上、下涡旋区，减少了高速气流的内、外部流速。

图3 汽车纵向压力对比云图

2.3 升/阻系数对比分析

汽车在高速行驶中往往会因为升/阻系数增大而减少其行驶稳定性，汽车升/阻系数比公式为：

△C=（Cx-Cm）/Cm×100%[6]

其中：Cx为添加仿真结构的汽车升力或阻力系数；Cm为不带仿真结构汽车升力或阻力系数。

通过仿真实验可得两种汽车在时速100 km/h时升力系数和阻力系数值并计算出升/阻系数比如表1所示。由表1可知，带有仿生结构的汽车以100 km/h速度行驶时与原有汽车相比升力系数下降0.08，阻力系数下降0.03，升/阻系数比均大幅下降，下降比例分别为-53.3%和-33.3%，这样可保证汽车在高速行驶时，后轮具有强附着力，提高了汽车可操作性。

表1 两种汽车升/阻系数

3 结束语

本文分别对传统汽车和带有仿生结构的汽车进行仿真分析，从空气流量分配、最大压力变化和汽车升/阻系数三方面对仿生结构减阻效果进行对比分析，结果表明添加仿生结构的汽车车身气流和上、下压差明显降低，汽车所受最大力减小并且有提高升力系数降低阻力系数的效果，仿真表明带有仿生结构的汽车具有明显降低汽车风阻的作用。

[1]王谦.仿生学在汽车造型设计中的应用[J].赤峰学院学报（自然科学版），2014（13）：91-92.

[2]马春阳，周伟，杨林锋.仿生学方法在汽车设计上的应用[J].科技创新与生产力，2013（01）：78-80.

[3]张楠.计算流体力学软件在汽车气动问题研究中的应用[J].重庆电子工程职业学院学报，2011（02）：125-127

[4]田红旗.中国高速轨道交通空气动力学研究进展及发展思考[J].中国工程科学，2015（04）：30-41.

[5]吴炜，高慧翔，彭金龙.城市快速轨道交通空气动力学相关问题探讨[J].都市快轨交通，2011（02）：63-67.

[6]李志国，朱鹏程，李锋.小展弦比机翼低雷诺数升阻特性试验研究[J].流体力学实验与测量，2004（04）：78-82.

The Car Body Structure Based on Bionics Research

WANG Wen-long，MA Hong-xin

（School of Automotive Engineering，Dezhou University，Dezhou Shandong 253023，China）

As a traditional subject of bionics，the idea has been widely used in automobile and aviation shape structural design，in vehicle design，the use of the bionic structure is usually in order to reduce the wind resistance，reduce automobile fuel consumption in order to achieve cost savings.Based on traditional automobile tail add spoiler of bionic structure and nonsmooth ribbed experiment and CFD simulation，respectively from the air flow distribution，the maximum pressure changes and car l/verify the resistance coefficient of three aspects with the bionic structure car compared with the traditional vehicle has good drag reduction stabilization effect.

automobile；bionics；car drag reduction

U466

：A

：1672-545X（2017）01-0059-03

2016-10-11

王文龙（1994-），男，山东省垦利区人，本科，研究方向为汽车服务工程。