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士论文 太阳能电动车车身设计及分析 摘要 太阳能电动车由于无有害排放物以及利用太阳能驱动，被称为“未来汽车”。 研究与开发，有益于汽车相关技术的进步与发展，将来让太阳能电动车真正服务 人类。本文研究了一种以参赛为目的太阳能电动车，介绍了车身设计计算相关的 究工作，主要包括： 1 探讨了太阳能电动车车身三维造型设计的方法与步骤，运用计算机辅助设计 术建立了车身三维几何模型。 2 建立了车身外部流场的计算模型，研究了运用计算流体力学方法对车身外部 场进行数值模拟的方法。 3 以降低空气阻力为主要目标，同时兼顾其他因素，进行了多种设计方案的计 分析与比较，最终得到了较为理想的车身设计方案。 4 对车身及其附件进行了详细的结构设计，其中主要包括：车身与车架的连接 固定；座舱盖的设计及与车身的连接；座舱盖移动机构的设计；前后车身密封和 部太阳能电池板的设计等。 太阳能电动车车身与常规汽车车身相比较有较大差别，本文所作的研究工作为 续的实车试制打下了良好的基础。 ! 键词：太阳能电动车车身计算流体力学计算机辅助设计 硕士论文 太阳能电动车车身设计及分析 a b s t r a c t s o l a rc a ri sc o n s i d e r e da s “f u t u r ec a r b e c a u s eo fi t sn oh a r m f u le m i s s i o na n dd r i v e n b ys o l a re n e r g y i t sr & d i sb e n e f i c i a lt ot h ed e v e l o p m e n to fr e l a t e dt e c h n o l o g yo ft h e c a r ，s oa st ol e ts o l a rc a rs e r v ep e o p l et r u l yi nt h ef u t u r e as o l a rc a rw i t ht h ea i ma t p a r t i c i p a t i n gi nt h er a c ei sd e s i g n e di nt h i sp a p e r , r e s e a r c hw o r kr e l a t e dt 0d e s i g na n d c o m p u t a t i o no f t h e c a rb o d ya r ei n t r o d u c e d ，w h i c hm a i n l yi n c l u d e ： lt h em e t h o da n d s t e p s o ft h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n go fs o l a rc a rb o d yi s r e s e a r c h e d ，a n dt h et h r e e d i m e n s i o n a lg e o m e t r i c a lm o d e lo fs o l a rc a rb o d yi ss e tu p w i t ht h eh e l po f c o m p u t e r a i d e dd e s i g n 2t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h ef l o w - f i e l do u t s i d et h ec a rb o d yi sb u i hu s i n g c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，t h em e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e f l o w f i e l d o u t s i d et h ec a rb o d yi sr e s e a r c h e d 3 a i m i n g a t r e d u c i n gc d x aa n dc o n s i d e r i n g o t h e rf a c t o r s s i m u l t a n e o u s l y , s e v e r a ld e s i g ns c h e m e sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d 谢t le a c ho t h e r , a n df i n a l l yt h e r e l a t i v e l yi d e a ld e s i g ns c h e m e o f t h ec a rb o d yi so b t a i n e d 4t h eb o d ys t r u c t u r ea n di t sa c c e s s o r i e sa r ed e s i g n e di nd e t a i l ，w h i c hm a i n l y i n c l u d e ：t h el i n k i n ga n df i x a t i o no f b o d ya n df r a m e ：t h ec a n o p yd e s i g na n di t sl i n k i n g w i t hb o d y ：m o v i n gs t r u c t u r eo f t h ec a n o p y ；t h es e a l i n go f f r o n ta n db a c kb o d yd e s i g na n d t h et o pb o a r do fs o l a rc e l l sd e s i g n ； t h e r ea r es o m ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h eb o d yo ft h es o l a rc a ra n dc o n v e n t i o n a l c a r s ，t h er e s e a r c hw o r k t h a th a v eb e e nd o n ei nt h i sp a p e rm a k e sag o o df o u n d a t i o nf o rt h e s o l a rc a rd e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：s o l a rc a rb o d yc o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s c o m p u t e ra i d e d d e s i g n i i 醭士论文 太阳靛魄秘车车身设幸 及分辑 1绪论 1 ，1 背景及意义 地球是人炭生存和发展的地方，不仅溪让地球使现代的人们生潜的更好，而胆 要保护地球、含理利用地球资源，让子孙后代生活的翼美好。为此，全世界都在关 浚汽车戆节毙、蓑 气净纯、繇缝绦护及交避安全舞蘸。攘毒关资料鼗示，到2 0 1 0 颦 预计世界汽车僚有量要达到l o 亿辆f i l 。世界汽车的傈霄整随着汽车葫油的消耗量遂 年在增加也是必然的。同时。石油是重要的能源资源及化工原料，除了汽车外还有 许多人类生存所必需的工业部门需要消耗猫油。另外，地球环境也翻麓遭受多种产 波及交逶工翼污染静藏耱，汽车工照对强溪静污染是个重要懿方甏，特嗣是茂车 有害排放物像c o 、n o 。等或者其他的一些微粒，严重污染空气，导数人类疾病和自 然灾害的发生。 为了保护、合理裂露缝球赞滚窝人类豹霹持续发袋，入霞不濒去寻求一静更凝 的能源来代替石油。发达国家中诲多汽车生产商和研笈机构把注意力转向太阳能的 利用上，充分利用光电转化原理，将太阳能作为电动车的能源。我们知道：太阳能 是一静取之不尽、用之不竭的“绿色”能源 2 1 ，太阳熊电动车可以说是一秘真正的 “零”捧馥交遴工具，其基本藏瑾摇下瑟掰忝： 厂 r 厂 厂 厂 l 太阳能卜_ 叫蓄电池卜一”叫- - 5 达控制器卜叫- 5 达卜叫车轮j 【。一i 。，一【。一一【。一【。一 太强嶷毫貔车是透过熬农车赛上魏太麓憩毫洼吸收太辍戆，逶避必毫转纯将泡 能储存在车内的电池里，供电机使用以疆渤汽车。在光照强度比较大的情况下，太 阳能电池吸收的太阳能通过光电转化而来的电流可以礅接驱动电机；也可以与蓄电 漶嗣对供电。储存在电池中多余兹2 量可以在不利的天气( 铡如多云、深夜、两天) 键雳。 电动汽车被看作是未来的汽车，它具有行驶无废气的优点，尽管还存在一憋问 题，如行程短、动力不足、价格高等，而远来被广泛接受【3 j ；同时受技术发展的7 k 平移窖鼹因素瓣裁终，太耀怒窀动汽车述运远不戆这裂久餐蘩絮鏊豹趱滏完垒取代 现代的燃油汽车以实现其商用化，目前，太阳能主要还怒作为一种辅助能源来使用。 但是这也给人擞带来了希塑；首先，随精科学技术的不断发展，特别是有关太阳能 剃髑技术和光魄转化技术的发展，人们将不断提高筢豢转诧效率帮测建率，等技术 鞭士论文太粥辘穰凌车车骞设计授势辑 究仝达到能够取代现代燃油汽车的时候，郧我们的石油资源可得到大量的节省和熙 加充分合理地测用；其次，太阳能电动攀熬零污染物撼放，这可大大减少对环境购 污染，有利予环境的傈护和黧态平衡、净纯人类生存瀚环境。正霆豳于这释“绿穗” 汽车对人类形成了极大的吸引力【4 】，世界上许多汽车嫩产商和高等院校的研发机构 致力于太阳能电勘车的研究朔开发，为的是有朝一日让太阳能电动攀真正地服务于 人类。 现在世界许多地方特别怒发达国家定期举办太阳髓电动车拉力赛。通过竞赛， 不但可以促进技术与文化的交流，而且& 够唤起全人擞的环保、节能意识；通过技 术探讨和交流，入翻可以采取更先进的技术和薪的材料，不断提高太曩能电动车的 瞧能。由于受技术永平帮一麓客蕊霞素韵翻约，我们掰簧研铺静太黼戆电动车还这 不到实用化的水平，只能作为赛车或者怒能够代表高新技术的展览晶或概念车以供 臌览，但是通过对太阳能电动车的研制，我们可以从中学习并掌握潮内外有关汽车 安全、节霸舔绦等方委鹣惫避技术；了鼯太疆裁毫魂每驮襁念没诗到逡 调试整个研制过程，并对整车的试制其有一定的感性认识，特别是有关车身设 计中国内外所逡用的新的观点和设计理念，实际设计过程中所采用的些新的现代 设诗方法、新熬糖辩军要瑟的技零；同时对我靛今螽更热深入遗从事太强能的乖j 髑鞠 嘏动汽车研究方面其有一定的指导意义。 1 2 国内外研究现状 早在1 9t 妓纪6 0 年代，像美国、日本、澳大利亚和加拿大等发达国家就开始了 对太阳能的研究开发和利用技术的研究，而我们国内起步相对较晚【5 】。自从太阳能 熬剩蘧雩 超人钠魏重凌数采，久翻一壹不凝逮致力予太强戆嚣瘸戆醭究。对太瓣貔 的利用，人们激单是将其成用在航天卫藏上，利用太阳能作为其动力来源，它婚邋 道太阳能电池吸收太阳能并将其转化为电能以供其电器设备的能濑之需，以保诫卫 熬系统的正常工作。 太阳能惫渤车是运足十年才逐步发麓起来酶，它不阉予转统的汽车：它没蠢佟 统汽车上面的大型变速器、离合器和传动装置：传统汽车一般是作为商用或者怒越 野车等目的，黼太阳能电动车还远未达到商用化，目瀚只能是作为概念车或赛攀， 聪显按照嚣羚太鼯藐毫动霉挺力赛戆有裳麓定，要求必毙乘坐1 或2 天潮。扶远死 年国外的车型来看，大都怒单人驾驶，所有这些就决寇了太阳能电渤车无论是从外 形或者内部结构及其总布鬣与传统汽车相比都有很大不同。由于受太阳能利用技术 鹣限制，同融必了确保太弱娩电动车的性能，太强能魄动车要具有小的空气阻力帮 硕士论文太阳能电动车车身设计及分析 迎风面积，所以太阳能汽车的外形应该是宽而且是扁平状的。为了驾驶员的视野而 不得不突出驾驶员座舱，仅仅考虑驾驶员的生理需求和操纵方便性，并不强调乘坐 和驾驶如同轿车一样的舒适性。 日本在1 9 9 6 年推出了一款名为“多目利”的太阳能电动车啊，其基本外形尺 寸如图1 1 所示： 图1 1“多目利”太阳能电动车车身外形 此款车型的c d a 为0 1 0 1 ( c d = o 1 0 1 ，a = o 9 9 9 时) ，而且是双人乘坐，其最 高车速理论上能达到1 6 0 k m h ，平均速度为9 5 k m h 。此款车型无论是从其车身外型 设计、车身选材及加工制作还是从内部零部件的布置方面都采用了新的方法、新的 材料和新的工艺。图中所标的是表示为了改进外形以降低其空气阻力系数所 采取的措施，如： 使水平截面成翼面形状； 缩小后部的侧面宽度( 效果为5 ) ； 车身底部为凹形( 可降低正面投影面积) ； 尾部很薄，厚度为6 眦( 效果为3 ) ，车体上部安装太阳能电池的部位曲率小 等。 此款车型的设计过程是这样的：首先从理论上确定其理想外形并建立模型，然 后通过风洞试验和c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 进行分析和优化而最终确定 其实际外形。此款太阳能电动车在日本当年举行的太阳能电动车的竞赛中，刷新了 9 3 年的纪录。创下了最高车速达到1 3 4 3 4 k m h ，行程3 0 1 0 k m 耗时3 3 小时3 2 分钟， 平均车速为8 9 7 6 k m h 的纪录。 “多目利”太阳能电动车与一般乘用车( c d + g 一 尹i + 鹎虿2 i 譬瓦p 一 式中茁：湍流脉动动能； 仃。：脉动动能的蒋朗特常数，其值在1 0 左右； s ：滚滚耗教率 s 方程： p 警十蚂豢= 未譬尝，+ c , , i g 妻一以：譬p 瓦十班，i 3 瑟苫瓦pi 一几2 i 式中 g = i t ( i 蕊- - - + - 却i - - 一- ) 晏 m ，i 麟， 雒。瑞薛+ 弘 t 。为流体层流粘性系数，“为湍流粘性系数 场空间位置的黼数。 潺滚熬动溪造娥熬应力可以袭示巍； 一硼m ( 摹罢) ( 3 2 5 ) ( 3 。2 。6 ) ( 3 ，2 7 ) ( 3 2 8 ) ( 3 。2 。9 ) 主要取决于流场的湍流特性，燕流 式中一万弼熙幽于对动量方程平均化后得到的雷诺1 呶力项或湍流威力项。 潺滚糟注系数；震k 霸占袭示，稷据萋缨分辑毒褥 硕士论文 太阳能电动车车身设计及分析 。= 心。旦 。 占 对于“标准”的k 占模型，其常数值如下： 盯 = 1 0 ，盯，= 1 3 ，c 一= 1 4 4 ，c ，2 = 1 9 2 ，c 。= 0 0 9 近年来，k s 模型已经广泛地用来计算边界层流动、管内流动、剪切流动、三 维边界层流动，并取得了相当的成功。但是也不能对其常数值的适用性估计过高。 因为每一种模型的本身都有其局限性，其次，每一种模型所包括的经验常数也有一 定的适用范围。式( 3 2 6 ) 与( 3 2 7 ) 及表3 1 所规定的k - 占模型称为高r e 数模型，适用于离开壁面一定距离的湍流区域，分子输运相对于湍流输运可以忽略。 但在壁面附近粘性底层和过渡层中的分子输运相对于湍流输运量可比，因此k e 模 型不能模拟此处的流动。在应用该模型时必须用壁面函数将完全湍流层和壁面连接 起来。 r e a l i z a b l ek 占模型： 此模型是文献【3 3 1 中介绍的一种新的湍流模型，并且是在标准的k s 模型的基础 上加以改进而成。 盯方程为： 言c 删+ 毒c p 删护言lc + 尝，考i + g k + g b - p 6 一柑t ( 3 2 1 2 ) s 方程为： 言c 胪，+ 毒c p e a 沪毒 c + 尝，毒卜粥足一p c ：# + q e 昙g 岛柑。 上式中： c 一 。，剖 r l ：s 篓 为了更有效地对规范流进行模拟，此模型中的常量c c ：，和仃。如下： c 】；= 1 4 4 ，c 2 = 1 9 ，盯 = 1 0 盯；= 1 2 此模型已经被广泛地应用于流体的数值模拟当中，像旋转的均匀剪切变流、包 括喷射和混合边界的自由流、边界层流和分离流。对于这些流变现象，经过大量的 算例验证：理想的k s 模型要比标准的湍流k s 模型模拟的效果要好。特别是对不 硕士论文 太阳能电动车车身设计及分析 规则的圆管喷射流喷射速率的模拟与跟轴对称的平面喷射流的模拟效果一样，效果 更为明显。 3 3 算例验证及边界参数的确定 3 3 1算例验证的目的 本节主要是对文献 3 4 1 日3 的所给定的标准车身模型的风阻系数值进行验证。在本 算例的模拟计算中对湍流模型、边界条件、参数进行了设定及调整，并对模拟计算 结果和国外的实际实验值进行了比较，根据其计算精度从而验证湍流模型的选择、 边界条件和参数设定值的可靠性。但由于不具备实验条件，模拟值要比实验值偏大。 ( 一) 计算区域和网格的生成 此标准车身模型的外形尺寸如下图所示： 图3 1标准车身模型外形尺寸 此模型是按照1 ：1 的比例建立，并对其计算区域、 网格划分及边界条件进行了 设定；最后对车身外流场进行数值模拟计算与分析。 模型导入 g a m b i t 是f l u e n t 的前处理模块，主要是用来建模、网格划分及对边界条件的 设定，它的建模功能相对简单，只能用来建立一些简单且相对规则的模型，复杂的模 硕士论文太阳能电动车车身设计及分析 型特别是复杂的曲面造型必须靠专用的三维建模软件，比如像u g 、p r o e 、c a t i a 等。 本人是用u n i g r a p h i c sn x 软件来完成车身模型造型的，然后通过i g e s 文件格式传 递到g a m b i t 模块中。利用g a m b i t 中的p a v e 法对车身表面进行网格划分，然后利用 t g r i d 法生成从车身表面到外流空间的网格。 网格划分 此处本人所分析的主要是汽车的外部气流对汽车的影响，并不考虑其内部气流 的流动，所以在划分网格时主要是对车身的外围区域进行划分。在划分网格时必须 考虑汽车流场的c f d 特性，网格生成时要注意以下几点： 在计算敏感区参数变化梯度大，网格太稀，不能捕捉到流场的重要信息，结果 不收敛，故需要较密网格，如最前端的圆弧处、壁面处、座舱盖的后端与车身连接处 及其它曲率变化大的地方等； 在流场有涡区的地方网格也不能太少，例如车尾区。 在非计算敏感处参数变化梯度小，网格太密，则耗用的c p u 时间增加，故应取 较稀网格。 曲线、曲面尽量光滑，不要过分扭曲。 计算区域 由于车身关于纵向对称面的对称性，为减少网格数目及计算量，所以本次模拟 是以车身的一半作为研究对象。 计算区域为一长方体：长为4 0 m ，宽8 m ，高为6 m 。 其部分区域及网格如下图所示： 图3 2汽车模型外流区域的网格划分 硕士论文 太阳能电动车车身设计及分析 ( 二) 边界条件和计算条件的设定 汽车外流场的数值模拟是在有限区域内进行的，因此在区域的边界上需要给 定边界条件。确定边界条件要求在数学上满足适定性，在物理上具有明确的意义。 汽车外流场的数值模拟的边界条件有三类：入口边界条件、出口边界条件和固壁边 界条件。具体设定如下： 边界条件： 入口条件：速度入口，并设定湍流动能和湍流耗散率值； 出口条件：压力出口； 固壁无滑移条件：根据空气流和汽车的相对运动关系，设定汽车位置固定而 气流相对汽车运动，空气流流经固体壁面的速度设为零。 空气流场空间的顶面、侧面及车身纵向对称面靠近的壁面均设为对称面；剩 余的面均设为壁面。 计算条件： 来流条件：本次模拟入口处的速度远方来流速度即为： v 。= 3 2 6 2 m s 对于入口处的湍流动能k 和湍流耗散率s 的边界条件，由于影响因素很多也很 复杂，通常基于试验给定，对于湍流动能的边界条件可根据入口处的速度由下式给 定： k = 三 ( i n i n ) v 2 2 式中i n i n 为入口处的湍流度。 对于湍流耗散率的边界条件由下式给定： c 。k 37 2 ( i n s f ) l 式中i n s f 为入口处的长度比例因子。 i n i n 和i n s f 可根据实际情况重新设置，本次模拟令i n i n = o 0 0 5 ，即认为入口处 的湍流度为o 5 ，令i n s f = o 5 ，则入口处的湍流动能和湍流耗散率的边界条件为 k = o 0 4 占= o 0 0 2 5 ； 根据无滑移( n o s l i p ) 条件，在模型表面的边界条件为： v 。= o ， k = o ， 占2 0 ： 计算区域上边界条件为 硕士论文 太阳能电动车车身设计及分析 v 。= 3 2 6 2 m s ， k = o 0 4 ，s = 0 0 0 2 5 计算网格为t e t h y b r i d 型划法，其体网格为四面体网格，网格总数为 2 5 1 3 0 6 ； 出口的边界条件为压力边界条件，设出口相对于远方来流处的压力为零。 3 3 2 模拟结果分析及验证 模拟结果的显示及分析 汽车流场流动状况是十分复杂的，一般分为汽车外流场和内流场。外流场指的 是汽车车身上部、下部以及侧部的气流流场。内部流场由两部分组成，部分为发 动机室内气流的流动场与发动机冷却气流流动场，另一部分是驾驶室内由于通风组 成的流动场。本文主要是对汽车的外流场进行模拟分析，而不考虑其内流场。 本算例较好地模拟了车身模型外部的气流流动情况。如图3 3 和图3 4 所示， 气流自远前方来，由于碰到了汽车这一钝头体，在前保险杠处受阻，气流在此处可 形成正压去。气流可分成两部分：一部分气流向上经过发动机罩和顶盖流向尾部： 另一部分流向汽车的底部。上部气流在流经车头上缘时，气流发生局部分离，气流 在此处可形成负压区，分离的气流在发动机罩上发生再附着，并受前挡风玻璃的阻 挡，加上气流的粘性作用，气流在发动机罩的某一位置发生分离。此后的气流为湍 流，并有涡流的产生且在此处产生涡流区，可形成正压。在车顶前缘气流发生转折， 可形成负压区。在车顶后缘气流发生分离，形成分离区，并发展成尾流区。尾流区 的大小和尾部形状有关，在后玻璃窗和行李箱盖上可形成负压区和局部正压区。下 部气流流经车底时，由于通道比较窄，气流速度仍然较快，可在此形成负压区。下 部气流和上部气流在行李箱后汇合流向后部，在汇合前有一分离区，可在行李箱后 部形成负压区。 硕士论文太阳能电动车车身设计及分析 图3 3车身纵向对称面的压力分布图 图3 4车身纵向对称面的速度分布图 汽车的尾流场是指汽车尾部的气流流动。由于气流在此处突然失去附着，使此 处的气流流动状况非常复杂，产生大尺度的涡流，这些涡流的产生对汽车的性能影 响很大。它不仅造成尾部的压力降低，增大压差阻力，可能使升力增大，影响汽车 的附着性能，而且由于气流的上卷促使泥土上卷，影响汽车的清洁。 硕士论文 太雨熊电韵车车身设计殷势析 强3 。5 车努鼹部气漉滚魂凝弦 上图是对模型的尾部气流的流动仿嶷结果。很明最在汽车尾部存在两个旋转方 向相反的涡，而且在后窗上存在附着涡。由于这个附蔚涡的存在，影响后风窗玻璃 的潼洁，掰以奁汽车设计时瘦该尽量避受域减小姥涡熬强度，阻止它对嚣部涡系的 予扰，来保证汽车后风窗玻璃的清洁耜降低阻力。 由模拟仿真的结果可知，在此区内气流的湍流流动动能是很大的，在旋涡的中 心的湍流动能很大，较大的熊量就在此区被消耗掉，从而引起了阻力。所以应该设 法羧潮魏区数浚渤，减少气滚在魏区麴瀵秘，觚嚣降低汽车熬气动簸力。赉臻嚣部 气流流动状况，使汽车尾部存在较大的负臌区。由于汽牟前部是正愿区，从而引越 了雁差阻力。聪麓阻力占总阻力很大的比例，所以应该通过改型或加附加装置米使 汽车尾部载压力爵窟，从嚣降低汽车款气渤疆力。 横拉结果与实验僵的磁较 对此模型的验证，本人分别采用了以上所介绍的两种湍流模型，并按照相同的 11 、，f 边界条孛 和参数避李亍设定。援疆风疆系数酌计算公式岛= 兰兰! ；：数对其模拟结暴 a u 。 作了对比，其模拟计算结果如下： s t a n d a r dk 一占模型： c d 一0 3 2 6 r e a l i z a b l ek - 嚣模型： c 。一o 3 2 2 在两种湍流模型的模拟计算中其收敛精度均采用默认设置值( o 0 0 1 ) 。理想湍 流模型比标准湍流模型的模拟值小1 2 2 ，在我们采用的是理想湍流模型。本横烈 的交际实验值岛= o 。3 1 6 ，模拟计算值比实验值大1 8 9 ，考虑到模型中没有加车 轮，所以诗算镄戮露蟊 隘系数僮较实际德黉馕大，毽纂零符合工程簧袋( 误差奁5 鹾士论文 太疆能毫霸车车身设计及努辑 以内) ，从而验证了上述数学模型的合理性。 一3 2 - 硬士论文 太辩簸魄动车车身设计及分析 4 太阳麓电动车车身模型模拟结果分毒嚣及方案优化 4 1原始设计方案模拟及分析 n 对原始车身模型( 侧面未加平板) 的流场数值模拟 本节首先对最初的车身模型进行了流场数值模拟及分析，其模型如下图所示 强4 。1太黧麓电动车最胡攘型 边界条件设定及湍流横越选择 计算区域的确定 由于该模型的尾部较薄并且熬个车身的外形流线形较好， 计算区域取得栩对较小，并且出于车身模型的对穆性故取模型一半进萼亍模拟，这样 减少网袼总数郛计算对闯。长方体区域兔：长为4 0 m ，宽为8 m ，麓为6 m ； 网格划分车身表面嘲格单元大小为4 0 衄，体单元为四面体，网格总数熬计 3 5 2 6 0 4 ，节点数为5 6 7 9 7 。 边雾条传阅上节中瓣耩难模鍪豹遮舞条件貔设定 湍流模型湍流模型为r e a l i z a b l e 群g 模型。 率身流场模拟特性分析 琢贻车身模型浚场的速度瑚压力分布如下燃所示： 硕士诡文 太阳就电动车车身设计及分柝 闰4 2车身表面压力模拟阁 涸4 。3 车身缴囱瓣藜霾速发云强分毒 从图4 2 中我们可醵露劐车的头部和轮罩的前侧为高压区，这怒因为远方气流 到达车头时，幽于车头和轮罩的前侧的阻挡，部分气流滞止速度变为零，所以在此 处气流很容易形成高压区：艇舱盖前端与车身连接部饿并没有像轿车上的挡风玻璃 秘发动援军熬大静转折区，疆基本主是鬻潜过渡，瓢戳流经车身上帮懿气流在忿忿 未发生分离，敞此处并没有形成高压区；车身底部比较平滑，气流在此处的流速较 高，因此在车身底部容易形成低压区：在座舱盖顶部是低压区。由于整个车身的流 线澎穗对较好莠曼款渡速分悫圈4 3 中我们也可戳潺楚遮看到，痤熬差嚣端与车身 过渡处并没有漱现大的尾涡以形成强的低压区。下圈4 4 是车身愿酃及座舱盖厝端 的气流流动状况，从中可以稽出：在车身尾部有一很小的涡流区，猩座舱盖后端没 荫出现尾涡，此处对车身模激的气压影响 乍用著不大。从以上的分橱得知：车身摸 黧竣气动隈力主要来源于奄巍关部帮轮翠簿铡斡隧箱，掰淤癸矮潜藏处遂行适当浚 童鐾遂奎r _ 一一 ， 一一 查篓鬻塑垫奎奎塞鎏鎏爨楚篓 避以改善气流流动特性。 座舱盏蔚端车务鼹部 圈4 4 崖舱盖后端及攀舞尾部的气流流动状况图 掇据对模型酶气流挨羧结果褥襄：气流瓣车赛模型蘸正歪力冀1 3 7 。2 3 n ，糕慷 力为1 9 3 7 4 n ，由c d ：! ! ：! ! 翼盈得： a u 。 r e a l i z a b l e 帮一菩模型： c d - - - - - 0 ，3 3 3 撼瑟燕裁隧覆酶车身攘羹灌餐数俊横兹 本模型悬程原始模型两侧各加一平椴而成并对熟进行了流场数值模拟，根据对 谈模型的气流模拟结果：气流对车身模型的正压力为1 3 9 ，1 5 6 n ，糙性力为2 7 8 6 n ， 鑫c o = 型墨笔& 褥 a u 。 r e a l i z a b l e 时一s 模型：c d = 0 3 6 2 测瑟如平援嚣，乎叛对气流翡导流终趱银枣劳且在乎扳表委形成耀蹲较器的糙 饿瓣着震，致使秸蛙力较大；两板又较薄使车身攘鍪鹣连风瑟积灞秘很枣，搿戳艇 平板后的车身模型的气动阻力较大。 垂。2 针对提高车身气动努学特性翦改进 根据上节澍原始模型避行的流场数饿模拟特性分析，如车身袭筒流体速度分 毒、压力势毒分辑盈薅风隈系蘩雏诗雾结象，本节又钟慰疆赛辜赛气凄力学特靛对 稼始模型进行了改进，对几种不同的修改方案分男进行了仿真模拟。其模型的改进 方案如下图4 5 所示 硕士论文 太阳能电动车车身设计及分析 图4 5太阳能电动车车身模型不同方案的改进 从上节对最初车身模型的流场数值模拟分析我们得知：车身模型的气动阻力主 要来源于车身头部和轮罩的前侧而形成的压差阻力。为减少压差阻力并改善太阳能 电动车的气动性能，我们对原始模型的车身头部和轮罩的前侧进行了改进得到了三 种不同的方案( 如上图所示) ： 模型a ：保持车身头部形状c 不变，轮罩采用a 的形式； 模型b ：保持车身头部形状c 不变，将轮罩向前延伸改成b 的形式； 模型c ：保持车身头部形状c 不变，去掉轮罩： 三种车身模型的流体模拟结果比较如下表所示： 表4 1 三种模型的气动性能比较 气压力( n )粘性力( n )迎风面积( 盯)风阻系数( c d ) a6 1 8 61 1 3 8o 3 30 3 4 0 b5 2 _ 8 71 1 8 4o 3 30 3 0 7 c2 3 0 69 8 2o 2 8o 1 8 4 从上表中得知：模型b 中将轮罩修正之后，风阻比模型a 减少了1 1 7 6 ；a 与b 相比粘性力并没有太大变化，气压力减少了1 4 5 ；模型c 比模型a 减少了 4 7 。可见轮罩对气动阻力的影响在风阻中占很大比重，这将直接影响太阳能电动 车的动力性能，所以无论是现代轿车还是太阳能电动车一般都将车轮置入车身里面 或者采用椭圆形的蒙皮将车轮包住的形式，国外的太阳能电动车一般都是采用这种 形式，这可大大降低风阻并提高和改善整车的气动性能。 硕士论文 太阳艉魄动车车身设计赦分析 圈4 6模型b 车身表面压力分布 图4 7模型b 半身表面速度分布 图4 6 是模型b 的车身波面的压力分布云图，从中我们可以看出：与上节中的 藩始模型瓣数穰模援结果鞠淀，轮罩兹铡题力变往套了缳太熬改善，基子延 孛痃鹣 轮犟对前方的气流起了一寇的导流作用，从而减少了模型的前后鹾麓阻力。同时对 横型b 进行了i 赶界层的划分，根据模拟结果计算得风阻系数为o 3 0 0 ，与模型b ( 米 划边界层) 相比较减少了3 2 。 为了充分稻蠲太鬻蔻毫鞠车鳃膏鼹瓣车身面积，褥篱太蕊憨毫涎瓣耱量吸段， 硕士论文 太阳能电动车车身设计及分析 所设计的太阳能电动车车身模型的头部采用了模型c 的改进方案，这样可以缩短车 身前部长度从而增大了车身后部贴太阳能电池的面积。同时，车身模型两侧的平板 在最初的方案的基础之上有了提高，增加了平板的面积，其最终模型如下图所示： 图4 8太阳能电动车车身模型 车身表面网格划分如下图所示 ” 图4 9车身表面网格分布 网格总数为4 3 2 6 7 8 ，节点总数为：9 4 6 0 7 ，采用的是四面体单元。 对本模型的流场特性模拟结果如下： 硕士论文 太辫能电砖车车身设计盈分辑 圈4 1 0率身袭面压力分布 图4 1 i车身纵向对称面上速魔分布 模拟结果：气压力为8 4 0 7 9 n ；粘性力为2 9 9 7 6 n ；a - - 0 ，6 2 6 m z c d - - ! ! 兰：堕兰兰! ：i ；。0 2 7 9 0 6 2 6xl1 7 4 3 2 造成模拟值偏大的主灏原因是由于腊半车身是由祭状平面组成，数使整个率身 襄嚣煞竞颞链及滚缓墼变差；其次是盘予裁夔增热霞褥糙牲力壤大，嚣授影露积增 加穰小，新戳饺得风隘交大。 车身顶部加顶板后的车身表面速度及压力分布模拟结果如下图所示： 硕士论文 太阳能电动车车身设计及分析 图4 1 2 车身纵向对称面上压力分布 图4 1 3 车身纵向对称面上速度分布 模拟结果：气压力为1 0 6 8 2 2 n 粘性力为3 7 2 7 6 n ；a = 0 6 5 2 m 2 c d - - ! 竺：! ! ! ! 型：0 3 3 8 0 6 5 2 x 1 1 7 4 3 2 从以上模拟结果得知：加板后，气压力增加了2 7 0 5 ，粘性力增加了2 4 3 5 ，而顶板的投影 面积很小，致使整车的迎风面积增加很少，所以加板后很明显的增加了风阻。 4 0 硕士论文 太阳能电动车车身设计及分析 4 3 针对总体布置的改进 在本次太阳能电动车的研制中，我们所选用的太阳能电池规格是单晶硅与多晶 硅两种，其尺寸规格分别为：单晶硅为1 0 3n a i l 1 0 3 姗，多晶硅为1 2 5 衄1 2 5r a n l 。 由于这两种电池非常脆，而且可弯曲的挠度很小，并且考虑到目前我们国内沿曲面 贴平整的太阳能电池的技术并不成熟，所以在贴太阳能电池的部位我们采用了平面 的结构，这样有利于太阳能电池的布置和粘贴。为了增加太阳能电池的面积和提高 车身有限面积的利用率；对原方案进行了改进，具体改进措施如下； 车身的改进 在遵守太阳能电动车的规范要求前提下，适当缩短了车身前部的长度，相应地 增加了车身后部的车身表面面积，这样保证了不同规格的太阳能电池的更加合理布 置：车身后部分为两部分，分别用于贴不同规格的电池。其方案如下图所示，中间 车身蓝色部分和车身尾部棕色部分贴的电池规格分别为6 2 5f l l i n 1 2 5m m 型号和1 0 3 1 i n 1 0 3 i i n 型号两种型号。中间车身( 蓝色部分b ) 贴的电池共3 3 0 块；身尾部( 棕 色部分贴的电池共贴2 6 块。 顶部平板的改进 太阳能电动车在行驶过程中，由于太阳光线与平板总成一定角度，所以顶部平 板不可避免对车身表面的太阳能电池形成遮挡，这将大大降低车身表面的电池能量 转化。为了提高车身表面的太阳能电池的利用率，减少车身顶部的平板对车身上的 电池的遮挡，所以将顶部的平板做成如下图所示的结构形状。上面( 蓝色部分a ) 贴的电池规格是5 1 5n l l l l 5 1 5i n n l 型号，共3 3 0 块。 顶部平板主要是作为试验用，真正在参赛或行驶中以车身表面贴的太阳能电池 为主。 车身两侧平板的改进 两侧的平板( 如图中c ) 的长度有所增加且呈对称分布，所贴太阳能电池同一规格 均为1 0 3 姗1 0 3f l i n t 型号，板尺寸为3 9 9 0 衄4 2 0 衄，3 8 x 4 2 = 3 0 4 块，与车身尾 部所贴的太阳能电池总数共计3 3 0 块。 硕士论文 太阳能电动车车身设计及分析 图4 1 2太阳能电池布置方案图 - 4 2 硕士论文 太阳能电动车车身设计及分析 5 车身结构设计及制作 5 1结构设计 车身附件主要包括车身与车架的连接与固定：座舱盖的设计及与车身的连接； 座舱盖移动机构的设计；前后车身密封设计和顶部太阳能电池板的设计，其中每一 附件的具体设计过程如下： 车身及与车架的连接 为了使车身与车架连接简单而且牢固，我们采用的是通过螺母螺栓连接方式。 通过在车身两侧的边缘内侧加工出支撑镶块，并在镶块内嵌入螺栓加以紧固以实现 与车架两侧l 角铁连接，其具体形式与结构如下图所示，每侧四个，共8 个，并且 8 个镶块呈均匀分布，这样可实现车身的均匀受力且防止局部过载使得车身发生变 形而破坏太阳能电池。车身前部单独加工出两个直支撑块以实现与车架前部连接， 两个成对称分布。 图5 1车身内部连接镶块结构及分布 车身与车架的连接及固定的方式局部视图如图5 2 所示：其中l 角铁与车架通 过伸出一横臂经焊接进行连接。 图5 2车身与车架连接局部视图 硕士论文 太阳能电动车车身设计及分析 座舱盖的设计及与车身的连接 我们所设计的太阳能电动车座舱盖的结构如下图所示，设计中充分考虑了流线 形及与车身的连接。座舱盖材料采用高强度的有机钢化玻璃，这种玻璃透明性好并 且抗冲击性强，这样不但可以使驾驶员具有良好的视野，而且还可以确保驾驶员的 安全。驾驶员的前部留了充足的空间以便于驾驶员对仪表盘进行辨识和操纵。 整个座舱盖分为前后两部分，并分别与车身通过粘结的形式进行连接固定，其 方式是在车身与座舱盖的连接处加工出阶梯状的结构，在座舱盖底部加工成平面状 并通过胶粘结连接，其结构如右下图所示。 图5 3 座舱盏结构及与车身连接方式 座舱盖移动机构的设计 为了方便人的进出，我们设计了座舱盖移动机构。其具体结构形式如下图54 所示：此设计借助于车架的两根纵梁做导轨，通过滑块a 和滑块b 来实现其前后 滑动。其中滑块a 固定在车架横梁上，以实现滑动方向的定位，滑块b 通过螺栓 的形式与滑动杆相连；为了防止前部移动车身的前倾而发生大的变形，我们采用左 右两侧各有两个镶块的四点支撑方式，并且两镶块通过连接杆件和螺栓进行连接与 固定。为了防止滑块滑出导轨，在车架的前部设置了挡块以限定其滑动行程。驾驶 员在进出时，为防止移动车身部分与固定车身部分之间的摩擦，特此在移动车身的 开缝处做成与水平面成2 0 的倾角。 硕士论文 太阳能电动车车身设计及分析 图5 4推拉机构设计 前后车身的密封措施 当前后车身进行对接时，为防止其松脱在后半车身的对接处采用了橡胶密封 条。其具体结构如图5 5 所示，在后半车身的u 型槽中嵌入u 型密封条，前半车 身的对接处加工成l 型的台阶状的结构，靠密封条上的橡胶弹性力将前半车身卡在 密封条里面，这样就可以实现前后车身的“无缝”连接。 图5 5前后车身的密封结构 顶部太阳能板框架的设计 顶部太阳能电池板是通过杆件支撑的方式加以支撑，首先制作一铝合金框架结 构，然后将贴有太阳能电池的铝片或碳纤维板通过粘结或螺钉的方式固定于框架之 上。杆件底部是通过螺栓的形式进行固定连接。 硕士论文 太阳能电动车车身设计及分析 图5 6太阳能电池板顶部框架图 车身两侧太阳能电池板框架的设计 车身两侧贴有太阳能电池的电池板与车架的连接及固定方式采用的是以下方 法：首先制作一铝合金框架，其结构如下图所示，在两纵梁之间加较多的横梁，以 防止太阳能电动车在行驶中的震颤而对太阳能电池的破坏；然后将其固定在从车架 上伸出的悬臂梁上面；最后将贴有太阳能电池的电池板通过粘贴或者螺钉的方式固 定在框架e 。 图5 7太阳能电池板框架结构设计 5 ，2 车身的选材及制作 太阳能电动车车身材料的选择原则是轻量化并能吸收碰撞能量。一般车身外覆 盖件使用碳纤维玻璃钢，其密度为0 9 3k g m 3 ，表面覆盖层是光滑的精细织物；采 用结实的织物用作内饰；在外覆盖件和内饰之间是厚度在9 5 1 2 7 衄蜂窝状夹层， 很多国外的太阳能电动车车身采用的是这种材料。 我们所设计的太阳能电动车的车身采用的是玻璃钢，玻璃钢是以合成树脂为基 篓妻鎏圣 塞鍪爨篷鍪兰奎塞燕i 蕊釜菱 体，以玻璃蝌维及其制品( 玻璃布、带、皑等) 为增强材料的一* 种照合材料。澈璃 镪瓣毪毙是渤惑部彗麴麸游靛。宅包耩皱壤绔维、和麓鹋麴拉学缀敲、结 匈、禽蕊 蕊缓宫秀式、器瑟蘧臻台靛涎。玻璃镄最突窭戆力繁爨藩薰燕溪轻鬻蠢。葵饕嶷为 l ，s 2 0k g 椭3 ，只有钢的1 4 l 5 ，比铝的密度( 2 7 硌，m 3 ) 还鬻小。其强磷眈 浆些特殊合搬钢还高：由予玻璃钢的比强度高、耐腐蚀性好等诸辩优点，所以被璃 蟪雾簧一饕瓣羹照互器秘糕，在王鼗蘩爨粳蓑方垂褥瓣广泛骛窭勰。骧在覆多汽率、 檄牵爱客车瀚苹身及多辩鬣谗帮采震了玻璃锈，减辍了宦重，穗满了车辆蓊嚣壤糕 用系数。 复合耪瓣辫蕊望方法缎参，主要鸯警裁法、模聪法、嵝封法锩。我翻所设谢4 蚋 太凝嚣毫餐事辫车鸯鬟髂添鬻蓊莛手糠法。手囊法蒋惫篷壳薅穰暴难誊簿，然藩寝 谯熙上涂上滕脱模剂，蹲将裁剪好的被璃布或毡，猩模其上一滕层地边铺溜淙 删牯料，每铺层，都要朋刷予锨压馘用辊子辊压，使粘布浸透城璃布或毡，并特 蕊气逮，黧懿爱羹攥露，一囊镱嚣襞畿簿囊，蠡蘩黢嚣簇莲) ，在塞墨下霖纯嚣 麟模，荐逶行褥处理，蓊辩船速匿话，戚囊时露适溺糯燕。站法搽话筒单，藏本诋， 效率也低。似适用性较大，不受制品形状和尺寸的隰 | i l l ，广泛应用予整体构件和犬 溅潮 睾瑟铡撩。 为了捺铡辜簧夔重繁，车龛霉囊麓定瘁拯；褒辫黪戆麓器嚣卷率，在车凑蕊筑 比较大的地方加加强筋以防产生大的测形。 s 3 车崭麓车架的黼配工艺拇糈 太爱笺堍凌攀赘鍪令攀疼跫鸯覆蕊搏、鎏蕊释瓣熬猩磬等爨套趱娥。辜骞备戆 捧运过嚣秣工葱缝装露威熬俸车赛，弗镰证良孬瓣竣渗整蘸寒设计要求蕊蔑躐筹 黻，是设计棚制造过程中的重要问题。猩本次太阳黼电动车车身设计和分析中，我 们宠势考虑7 车宴装配和绻姆工艺性。菠鬓嬲在于嚣璁车身拘性熊癸求，包始；抖 澎、足专、瀑发、戆度、黪粪器装蠹荧系簿。奉凌浚诗孛；舞爨绦囊车赛翳黎溲簿 刚度，并且i i 子碳纤维破满锕的质轻漪强特性，率撙材料采用的撼玻璃钢；同时为 了防止变形，在车身的变膨可能较大_ 爵l i 位加了加强黼，为了方便驾驶员的进出戡们 浚诗了萎越撬蕊，羹曩嚣鬃黪羹5 。 警串嬉褥霎爨零。 我 f j 黪设计匏太陌黼邀谚车靛车豢囊要劳意五帮努；崖舱蕊、翁帮蓼裁豁努、 麟部固定部分、车身两侧平板及底部平擞部分。为了燃好地实现帮措与车架的激酏， 越英装嚣王麓：链避霸了黟按豹分辑，葵中- 焱羯麓电潮攀嶷妻总装配圈如下凋辫示： 硕士论文 太阳能电动车车身设计及分析 图5 8太阳能电动车底盘总装配图 如图中所示，在车架的两侧固定有l 型角铁，并且在角铁上开有均布的中心孔； 车架前部伸出的两固定块也开有中心孔，各个孔的位置及尺寸与车身内侧固定块内 镶嵌的螺栓的位置尺寸严格对应，这样可保证车身与车架的可靠装配。车身各部分 的具体装配过程如下： 座舱盖与车身的装配连接是通过在车身上加工出阶梯状的嵌槽与座舱盖底部 平面的面贴合的方式进行粘贴装配。 固定车身部分与车架的连接是通过l 型角铁上的中心孔与车身内侧镶嵌块的螺 栓的中心线进行对中而实现定位。 两侧平板与车架的连接是借助于从l 型角铁伸出的悬臂梁