基于一种新型模具的节能车车身的设计分析与制作＊

庄剑威，陈瑞欣，黄文杰，陈庆尚，梁观豪

（肇庆学院，广东 肇庆 526061）

前言

随着我国汽车工业的迅速发展，中国汽车产销量已经连续多年雄踞世界第一。数以亿计的汽车行驶在我国的东南西北，推动着国家经济发展与繁荣富强。汽车的行驶造成大量碳排放，在强调“绿水青山就是金山银山“的时代背景下，由本田汽车公司举办的”HONDA中国节能竞技大赛“成为越来越多大学生们探寻节能极致，倡导绿色发展的重要平台[1]。

作为节能车的重要组成部分—车身的设计制造一直是节能赛车的核心重难点之一。好的车身能够有效地减小行驶风阻与提供车手一个良好的驾驶环境，设计不佳或者工艺不足则可能会适得其反。车身的设计制造过程中，需要耗费大量的时间和金钱，对于许多学生创新活动来说，这是一个不小的考验。本文以肇庆学院节能车队三代节能车研发，五种车身的设计制造经验为基础，介绍在最有限的经费内完成对车身的最优设计和最小误差的制造方式。

1 车身设计与分析

1.1 理论设计

气动阻力是影响节能车的节能性能的重要因素。由空气动力学的基本理论可知，设计一台低阻力的节能车可以从降低迎风面积和降低气动阻力系数这两个方面开始进行。

降低节能车迎风面积，则需要尽可能地减少车身正面投影形状的宽度和高度。以目前赛场上流行的倒三轮布局的节能车为例，在前轮被包围在车身内的情况之下，影响迎风面积最大的因素在前轮轮距、前轮轮辋的大小和车手的驾驶姿势。对于倒三轮布局的节能车，其车身最宽处出现在前轴所在的位置，在保证节能车有足够的转向角以及车手有足够的腿部空间的前提下，应尽可能地缩短前轴轮距，以降低车身的宽度；选用较小尺寸的前轮可降低车身两侧的高度；车身的最高点出现在车手头部的上方，车手的驾驶姿势越接近于平躺，车身的高度则越低。

降低气动阻力系数的设计，在汽车空气动力学的理论上，气动阻力系数是一个与车身外形形状有关，与形状大小和来流速度无关的无量纲数。优化车身形状的设计是降低气动阻力系数的关键所在。低气动阻力系数的节能车车身具有以下特点：全车身采用流线型化的“钝体”设计；底盘平整，表面光滑且无突出；上下车身接合处缝隙小、车轮封闭在车身内且左右对称等[2]。

1.2 结构设计

首先在 Catia零件设计模块，完成对车架、车轮、转向机构等能对车身尺寸产生影响的结构的建模。车架的关键尺寸如表1所示。其次，将车手的资料导入人机工程模块中并根据实际的驾驶姿势调整车手模型的动作姿态，从而建立了底盘-车手模型。待建立底盘-车手模型后，使用Freestyle模块绘制出的带有一定曲率、符合空气动力学要求且尽量减小表面积的车身外形，最终组成底盘-车手-车身模型。如图 1所示：

表1 肇庆学院2019年节能车底盘参数（单位：mm）

图1 底盘-车手-车身模型

对于前挡风的设计，首先通过人机工程导入车手体位数据和驾驶姿势得到相关数据后，结合规则要求的至少要保证车手前方有90度的可视范围，完成前挡风的设计。对于侧窗的设计，应避免与车身线条相接，满足后视镜的使用与方便从外侧观察驾驶员和发动机舱的状态。

图2 通过Catia分析车手视野范围

根据车架尺寸和空气动力学的特点设计的车身基本设计参数如表2所示。

表2 肇庆学院2019年节能车车身参数

出于安全、轻量化与加工便利性的考虑，大部分赛车的前挡风和侧窗使用透光性较好、不易脆、易成形的PVC材料制成。但是PVC材料得耐热性较差，维卡软化温度仅为72°-82°，过薄的PVC作为挡风和侧窗的材料会在赛车日常的日晒中严重变形。通过查阅资料，备选用0.5mm厚的PVC作为挡风和侧窗的材料[3]。

选用透光率约为24%、红外线阻隔率约为84%、紫外线阻隔率约为 99%的单向透视膜对车身的挡风和侧窗进行贴膜，一方面可以减轻驾驶员的负担，另一方面可以防止在发生事故时破碎的挡风和侧窗对驾驶员造成伤害[4]。

1.3 车身外流场分析

在赛车外部建立一个计算域，计算域的入口长度为整车长度的2.5倍，出口长度约为整车长度6倍，左右宽度为整车宽度3倍，高度约为整车高度5倍[5]。为了更好地模拟赛车周边的空气流动状况，在车身周围的区域创建网格加密区。

在进行计算机仿真前，首先需要对模型进行网格划分。由于 FLUENT对于网格质量要求较高，故使用 Hypermesh进行网格划分。本次分析研究的内容是赛车表面压力和周边的气流状况，所以整个模型的网格区域应分为三部分，一是赛车表面网格控制在20mm上下、最大网格不超过25mm，二是对于加密区域的网格应控制在50mm左右，三是其余的计算域网格设置为200mm，最终划分出200万个的非结构网格。待进行网格检查后发现整体情况良好，车身表面也生成了较为细密的边界层。

赛车在行驶过程中的设计平均速度是7.5m/s。在有限元分析中出口条件设置成压力出口，将地面条件设置成可移动，其余面均为固定壁面。

由于赛车设计的平均时速不高，可以把空气介质看成不可压缩气体，采用RNGk-ε湍流模型以及基于速度压力耦合的SIMPLE半隐式迭代算法，其他部分改为二阶算法[6]。选择StandardInitialization对入口进行初始化，经过1000步的计算，模型分析结果如下。

图3 侧视流线图

由图3 侧视流线图可知，当空气流经车体时，气流与车体表面的贴合性较好，并没有出现失速现象或者是明显的负压区，气流可以顺利地从车身头部流到车身尾部，符合汽车空气动力学的要求。

在距离地面 200mm处建立一个截面，以观察到赛车周围的气流。观察分析结果后发现，气流经过车头时大多数都被导向两边，所以流线型的车头对气流没有造成过多阻滞。如图4所示，虽然赛车流线最宽出现在前车轮处并逐渐向后收缩，但由于理论设计最高时速并不高，所以在车身两侧没有出现失速现象。

由图5可知，赛车的理论风阻系数为0.13，远低于民用车0.3-0.5的阻力系数水平。低风阻的特性，可以减少为克服风阻所消耗的燃油，以达到节能的效果。

图4 俯视流线图

图5 风阻系数图

1.4 前挡风强度分析

将车身前挡风的相关信息（如表3示）代入车身的气动阻力表达式可算得车身在行驶时受到的阻力的大小.再加上PVC材料自身的重力后再ANSYS中进行仿真分析。

表3 前挡风的相关信息

由公式m=ρV，可得m=0.38318KG。

在ANSYS分析中，在添加PVC材料后，选择自动网格划分方式对车身进行网格划分，控制网格的质量在0.72以上为宜[7]。选择前挡风的边界施加固定约束，约束前挡风的所有位移与旋转。将重力m与力 Fx作为载荷添加至前挡风后进行求解。

经过分析，得到了前挡风 PVC板的受力情况和形变情况。根据图 6的分析结果，可看出前挡风只承受最大为296.92pa的压力不会对前挡风造成破坏。根据图7所示的分析结果，可看出前挡风只承受最大为2.3683e-7m的微小形变，不影响前挡风的使用效果。

由于侧窗的迎风面与表面积都比前挡风小得多，且倾角更小，当材料符合前挡风的使用要求时也必然符合侧窗的使用要求。故0.5mm厚的PVC板符合前挡风和侧窗的使用要求。

图6 赛车行驶过程中的前挡风的应力云图

图7 赛车行驶过程中的前挡风的形变云图

2 鱼骨板模具制车身的优点与流程

2.1 鱼骨板模具的优点

无论从资金预算、模具质量或者是从时效性等来看，以中纤板为骨架的鱼骨板法都有极高的性价比，具体表现在如下几点：

①稳定性更好。考虑到大多数车队的加工环境较为艰辛，且实验室的酷热，鱼骨板模具不存在泡沫板之间的缩胀与老化问题；

②受力不易变形。普通的泡沫模具在搬运过程或在后期抽真空中的不当操作极易对模具造成破坏，轻则处理表面出现细纹重则易产生破裂；

③精确度更高。在骨架制作过程中，空间交错的中纤板的每一个卡口都有唯一对应的空间坐标，拼装简单且非常精准，理论整体误差仅为0.5至2mm；

④中纤板、聚氨酯发泡剂、玻璃纤维、原子灰等都是价廉易取的材料，存储简单。

由表4和图8可知，对比肇庆学院上一代节能车堆叠泡沫法车身模具制造的设计参数与实际参数，鱼骨板法比泡沫堆叠法在各类尺寸上的误差率都更低。（理论尺寸为Catia模型尺寸，实际尺寸为经过脱模后的车身尺寸，长度单位为mm，面积单位为m²）。

表4 两种制作方法的尺寸数据

图8 两种制作结果的误差率比较

2.2 鱼骨板模具制作流程

肇庆学院节能车队受榫卯结构和框架结构的启发，率先使用鱼骨板法制作车身模具。即以9mm厚的中纤板为材料，以三维坐标系为基准，将整个模具用三个不同平面以积分的形式组合而成，

鱼骨板法模具的制作由以下几个步骤组成：

①Catia中进入创成式外形设计模块，使用封闭曲面命令把车身外形填充成实体曲面，使用激光切割雕刻机分割每一块板材；

②X面、Y面、Z面的板材互相嵌套，在每一个卡口处使用排钉加固，如图9所示。外表面由无盖壳体并列组合后填补发泡剂使形成表面；

图9 鱼骨板拼接成型后的上下模具

③在由中纤板和聚氨酯发泡剂组成的外表面上覆盖一层玻璃纤维以加固表面；

③由原子灰对模具缺陷处进行填补后先用小目数砂纸再用大目数砂纸对外形进行打磨，最终形成模具外表面。

2.3 车身制作流程

①先将模具成型面进行清理，再在模具上涂刷四至五层脱模蜡[8]。

②对碳纤维布的编织经行梳理，并在剪切处贴上美纹纸以防止出现拉丝。

③对于主要承重的车身底板则需要准备一层与底面造型一直的强芯毡以加强支撑作用。

④将双组份环氧树脂YT-CC301以3：1的比例进行混合，确保混合均匀后在环境温度 25摄氏度时粘度在 500-600m Pa.s并留有15-25min操作时间。

⑤车身成型时首先将剪裁好的第一层碳纤维布铺在模具表面，使用刷子和压辊在碳纤维布表面刷上环氧树脂。在环氧树脂浸渍并排除气泡后铺上第二层碳纤维布（第一二层碳布的纹路应呈交叉状）后重复刷环氧树脂的步骤即可。

⑥待静置24小时环氧树脂固化后，车身便已成型。在车身脱模后，对于有缺陷的表面使用原子灰进行修补，再由目数从小至大的砂纸分别打磨至光滑即可。

⑦在全部缺陷修补完毕后，采用方向统一、宽度一致和多层喷涂的喷漆方式喷涂油漆。再将前挡风与侧窗粘在车身上，使用热熔胶与玻璃胶填补缝隙后即代表着整个车身的完工。

3 结论

根据主流节能赛车车身模型，使用 CATIA建模。导入FLUENT进行车身外部流场分析，包括模型处理、网格划分、计算及后处理等，不仅节约车身研发成本，同时降低了车辆运动过程消耗的能量，从而得到空气动力性能较为满意的车身。使用ANSYS进行前挡风的强度分析，确定所选PVC板符合前挡风以及侧窗使用要求。在此基础上，率先使用鱼骨板法制作车身模具，从而在保证一定精度下达到节约制作成本的目的。