基于UG和ANSYS软件的大学生方程式赛车车身设计与流场分析

马 健,王 玮,王凯鹏（南京农业大学,南京 210031）

基于UG和ANSYS软件的大学生方程式赛车车身设计与流场分析

马 健,王 玮,王凯鹏
（南京农业大学,南京 210031）

摘 要：UG软件具有强大的曲面建模功能，其无差化的草绘曲线和三维曲线功能给实际建模过程带来便利条件。本文通过对已知大学生方程式赛车车架进行车身的设计建模，并通过有限元分析软件ANSYS 中FLUENT模块对赛车车身进行流场分析，验证赛车车身良好的空气动力学性能。

关键词：UG；大学生方程式赛车；车身；流体分析

1　前言

大学生方程式汽车大赛被誉为汽车工程师的摇篮，参赛对象主要为大学在校学生，允许少量研究生参与，但对人数有着严格的限定，目标为培养一批具有优秀动手能力、自主开发能力的未来汽车工程师，同时大赛规则对赛车进行严格的限定，使得设计更为复杂。本文利用UG的辅助设计对已有车架进行车身设计，并ANSYS软件进行有限元分析以得到具有优良空气动力学性能的车身。

2　大学生方程式赛车车架

大学生方程式赛车车架如图1所示，赛车车架作为各零部件的载体，对各零部件起到支持、连接作用，同时也受到来自自赛车内外的各种力的作用。在对车架设计初期必须考虑到车架应该有足够的强度来支撑车体在各种工况下而不会断裂，同时有足够的刚度来克服车架的形变，以免对车上各零部件间的配合产生影响。在满足上述刚度与强度条件下还需要满足质量尽可能轻，本文选取车架为桁架式结构，选用4130钢管经过氩弧焊焊接完成后能够满足上述条件。

3　大学生方程式赛车车身

大学生方程式汽车大赛作为一项追求比赛速度的赛事，车身空气动力学性能的好坏对比赛成绩影响是巨大的，车身曲面的平顺性，连续性又对空气动力学特性有着较大的影响。UG软件强大的曲面建模能力能够使车身曲面更加平顺，使气流不易从车身表面分离，从而对车身空气动力学性能产生较好影响。

4　车身模型的建立

首先将已有车架模型导入UG软件中，利用UG软件中自上而下的建模形式，在已有车架的情况下对车身进行设计，能够更好地将车身与车架进行配合，有效防止了与车架干涉问题和车身与车架间空余空间过大的问题[1]。通过已有车架模型对车身主要曲线进行构建，在构建曲线中由于车身本身是对称的，本文采取对半边车身进行建模，在完成半车身建模后，利用软件镜像功能将半车身镜像成完整车身；在曲线构造上采用B样条曲线进行构造，同时添加必要的约束，保证建模完成后车身的光顺性。

在对车身主要曲线构建完成后，根据不同的情况采取直纹曲面、网格曲面、桥接曲面、有界曲面、缝合曲面等命令完成赛车车身的初步设计。在初步设计完成后，利用UG自带曲面分析功能分析观察曲面，避免出现大的缝隙和不光顺的情况发生，根据分析结果进行修改和再分析，直至达到曲面的光顺和造型的美观[2]。基于车架的车身曲线和整体车身曲面如图1和图2所示

5　车身模型的流体分析

车身空气动力学研究可以通过：风洞实验、实际测试、数值计算法等，但风洞试验费用较高，而且风洞实验室数量较少，并不是每个学校都有相应的设备；实际测试必须要等到整车完成装配后才可以进行，具有很大的局限性；因此在设计初期采用CFD（计算流体力学）进行数值模拟分析，该方法克服了以上方法的局限性。本文通过ANSYS 软件中FLUENT模块对所建立的车身模型进行三维流场分析，验证赛车车身的空气动力学性能。

5.1 车身模型的导入

在软件中模拟在风洞中的真实情况，需要足够的计算域，为了在ANSYS中处理方便，选择在UG软件中建立车前3倍车长，车后7倍车长，上方5倍车高，左右各5倍车宽的区域作为计算域，并对车身模型做了一定的优化处理。车身三维模型增加了人体模型和四个车轮模型，使模型更好的与实际情况相符合，前处理工作完成后将模型导入ANSYS中[3]。

5.2 网格划分

网格的质量决定了最终求解的可靠性，由于曲面的复杂性，选择采用四面体网格，在侧箱与车身相连接等处曲率变化较大，选用比较小的网格，在前脸等曲面较大的地方，用加大的网格，来保证网格的质量。在ANSYS中选用ICEM模块进行网格划分，共划分网格数为1284018个，节点数为297043个。

5.3 边界条件的设置与求解

在仿真分析时选用FLUENT模块，选择使用k-ε湍流模型，速度入口选择为20m/s,设置压力出口，选择车身表面为无滑移面，左右侧面和计算域上表面设置为自由滑移面，选择迭代步数为1000步进行求解。

5.4 流体分析结果分析

将在fluent模块中得到的求解结果导入后处理模块可以得到车身周围压力分布云图和车身周围流线分布图如图4和图5所示。

从图4和5可以看出在车头部和车轮前部以及人体模型前部收到较大压力，这与实际情况相符合，在车身除车头部位外压力分布较为平顺，从图5可以看出在车身附近未发现空气分离现象。分析结果显示在给定20m/s时，车身阻力117.9N，升力 160.1N，迎风面积1.267㎡，阻力系数为-0.525，升力系数为0.592。

6　结论

以大学生方程式赛车车架建立车身模型，应用ANSYS软件对建立的车身模型进行仿真分析，分析结果显示：

（1）阻力系数为0.525，与乘用车的阻力系数相比较，显然比较大，但乘用车为封闭式车身，可以取得较好的减阻效果，大学生方程式赛车为开放式车身阻力系数会略高于乘用车水平。

（2）从压力云图和流线图可以看出车身周围并没有出现明显的流体分离现象，减少了空气阻力的产生，但由于赛车开放式车身的特殊性，车身尾部无法得到有效的车身覆盖，出现了明显地涡流现象增大了车身的阻力。

参考文献：

[1]施钢.基于UG的大客车车身骨架的快速三维建模[J].电子科学，2008(02):33-34.

[2]赵波，屠建中.基于空气动力学的车身造型设计[J].机械设计与制造，2011(07):48-50.

[3]苏文慧.汽车车身设计及其外围流场的数值模拟[D].大连：大连理工大学，2005.

作者简介：马健(1992-)，男，江苏南京人，本科，车辆工程专业。