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CFD仿真在汽车轮辋辐板设计中的应用研究

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・设计・计算・研究・ CFD仿真在汽车轮辋辐板设计中的应用研究半 傅立敏胡兴军 张世村 (吉林大学) 【摘要】应用计算流体动力学(CFD)的方法,在STAR—CD软件平台下对6个具 1’l 4轮辋辐板的汽车车轮外流 场进行f CFD仿真,解决了车轮接地区域网格生成的难题。探讨丁辐板几何参数不同时车轮及其整车的阻力变化规 律。通过对轮腔内速度矢量以及车身底部流线等试验结果的分析,总结出了辐板不同时车轮与汽车外流场的变化规 律,为车轮辐板的设计提供了空气动力学理论依据。 主题词:轮辋辐板开子L计算流体动力学仿真 中图分类号:U270.1 文献标识码:A 文章编号:l00o一3703(2006)05_0016—04 The Application and Research of CFD Simulation in the Design of Automotive Wheel Disc Fu Limin,Hu Xingjun,Zhang Shicun (Jilin University) 【Abstract]Apply the method of calculation fluid dynamics(CFD)and use STAR—CD software platform to simulate the wheel outer fluid field of 6 different automotive wheel discs,and solve the problem of mesh formation in the wheel contacting area with the ground.Discuss the regularity of the resistant force change of the wheel and complete vehicle with different wheel discs.Through the test result analysis of velocity vector in the wheels and streamline under the body, conclude the regularity of automotive outer fluid field change with different wheel discs and supply the theoretical basis of aerodynamics for the design of automotive wheel disc. Key words:Wheel disc,Opening,Calculation fluid dynamics(CFD),Simulation . *参考。 I 翮置 一 目前,汽车底部的流场特性受到了广泛的重 2几何模型的建立及网格划分 视 l2],而车轮作为影响底部流场因素之一,其阻力 2.1设计方案 值在整车的总阻力中占30%左右口]。不同种类的车 在轮辋辐板设计中,开孔的设计情况对气动阻 轮对整车气动特性的影响也有所不同,但该方面研 力影响较大。为了对比分析开孔面积对气动力的影 究多限于不同轮胎宽度以及不同胎面花纹的影 响,设计的开孔面积应按照一定的规律变化。设计 响[4,5 3。 中选用了典型的扇形开孔,其开孔面积的分配方式 在汽车车轮的设计中,轮辋辐板的设计是一个 为:当开孔面积应一定时增大开孔的个数;开孔数 至关重要的环节。它不仅关系着车轮制动系统的散 相同时改变开孔的面积。对于SR14车轮模型(由实 热,同时更影响汽车底部甚至整车的空气动力特 际使用的车轮适当简化得到),结合实际情况设计 性。轮辋辐板的设计是否合理是影响车轮周围以及 出厂6种不同辐板,辐板及车轮的模型如图1所 车底气流流动的重要因素。采用流体动力学数值计 示,辐板的几何特征及分组如表1所列。 算的方法,在参考模型试验数据的基础上,利用商 业软件STAR—CD进行了流场的数值模拟计算,通 过TECPLOT进行流场可视化处理,并结合车轮周 围速度矢量场及车轮后方的流线对相应的流场进 行了分析,得出了不同轮辋辐板下同一简化汽车模 型外流场的流动规律,为轮辋辐板的设计提供理论 (a)F0 (b)S7 (e)S8 基金项目:国家自然科学基金课题研究项目(60222207);该成果受“吉林大学‘985工程’项目”资助。 一16一 汽车技术 维普资讯 http://www.cqvip.com

・设计・计算・研究・ 车轮的外流场主要受车身下轮腔和车轮自身的 影响。本文通过对流场的数值仿真及分析来完成对 所设计轮辋辐板的流场特性的评价。根据文献[1]、 [3],采用了简化的车身模型,即模型具有车身前半 部的特征。对于轮腔包络线的形状按照某国产车精 (d)S9 (e)S8s (f)S81 确建模,并且给出了前轴的形状和位置,如图2所 图1 模拟中使用的辐板及车轮的模型 示。车身及其具有不同辐板的车轮模型的建立均在 表1轮辋辐板的几何特征及其分组 辐板模型 几何特征 CFD分析的目的 F0 轮辋辐板上无开孔 S7 轮辋辐板上开孔数为7 比较不同开孔数对流场特性的影响 S8 轮辋辐板上开孔数为8 S9 轮辋辐板上开孔数为9 S8 轮辋辐板上开孔数为8 S8s 轮辋辐板上开孔面积为模型S8的0.8倍 比较不同开孔面积对流场特性的影响 S81 轮辋辐板上开孔面积为模型S8的1.2倍 UNIGRAPHTCS软件中完成。 3数值计算 对于6种不同的轮辋辐板,研究采用相同的车 身与车轮模型、网格划分方案及计算区域,设置相同 的边界条件,并采用相同的湍流模型,以使6种情况 流速度明显下降 下的数值计算结果具有可比性。 3.1计算域选择 图2简化后的车身半模型及表面速度矢量 为再现汽车自然行驶状况,选取一个长方体形 2.2 网格生成 计算区域。根据汽车模型,计算域前部取5倍车长, 在车轮的接地区域,车轮与地面夹角几乎为0, 后部取10倍车长,上部取5倍车高,侧面取5倍车 此处生成单元的内角将会接近0,致使单元质量差 宽 ]。 而影响流场计算的收敛性。为了保证网格单元的生 3.2湍流模型 成质量,根据车轮的实际变形情况对车轮接地区域 理论上表达气体流动规律的方程为 Ⅳ_S方程, 进行了如下修正:在保证离地间隙的前提下,先将车 但目前由于计算机技术发展的,完全求解Ⅳ_S 轮接地部分切掉一段劣弧,然后将切除的边界拉伸 方程的难度大,为此采用工程中广泛应用的雷诺时 至地面,形成如图3所示的车轮外形。这样生成网格 均 S方程,计算模型均采用RNG k-e湍流模型。 单元的内角均在30。以上,从而确保计算能够进行 3.3边界条件 并收敛 本文仿真的是汽车直线行驶在无风的道路上, 流场为沿车身的纵向对称平面对称,并取左边1/2 流场进行仿真计算。为此,将汽车的远前方及后方分 别设置为进VI和出VI边界条件;右侧为流场的对称 。 平面,设置为对称边界条件;上方、左侧及地面的边 豫 界均采用移动壁面(Moving Wal1)边界条件;车轮采 用旋转壁面边界条件。车轮的旋转角速度为100 rad/s,远前方来流的速度为31.2 m/s,k与£分别取 图3修正后的车轮外形示意 0.1460146mZ/s 和0.030 337 85 mVs 。 计算网格采用四面体和六面体结合的方式。对 于6种不同轮辋辐板的整车计算区域最后生成的网 4计算结果及分析 格数均为lx106-1.2xl06之间。 该仿真研究是在配置了AMD3000+的64位 2006年第5期 一17— 维普资讯 http://www.cqvip.com

・设计・计算・研究・ CPU、1.5GB的内存及80G的SICI硬盘的工作站上 影面积。比较FO模型的CFD仿真与试验结果可知, 完成的。模型S8阐明了计算出的流场的主要特性 车轮阻力系数以及总阻力系数的相对误差均在6% (图2),该模型是实际应用的轮辋辐板模型。从图2 左右,这说明该研究中所采用的CFD仿真方案(包 可以看出,辐板开孑L后气流速度明显下降,可知辐板 括湍流模型、网格方案及边界条件等)具有有效性和 开孔对车轮的气动特性有重要的影响。 可行性。 4.1阻力系数 由表2可知,并非车轮阻力系数大而整车的阻 车轮气动阻力系数与模型的总气动阻力系数的 力系数也随之变大,这说明车轮与车身之间流场的 计算结果及相应FO模型的试验值如表2所列。在 相互干扰作用是阻力发生变化的一个主要原因。 车轮阻力系数计算中,正投影面积为车轮自身的投 另外,从表2的计算结果还可得出如下结论: 表2车轮阻力系数及总阻力系数 模型号 F0(试验值) F0 S7 S8 S9 S8s S8l 车轮阻力系数 0.040 3 0.042 5 0.0964 0.0494 0.079 5 0.048 0 0.1oo 8 总阻力系数 0.415 0 0.4390 0.460 5 0.443 0 0.432 0 0.458 2 0.496 3 a.通过模型S7、S8和S9的对比表明,随着辐 接的也是最大的,该模拟试验的阻力变化原因也在 板上开孑L数的增加,总阻力系数减小,『而车轮阻力系 于此。众所周知,阻力的增大是由于物体近表面流体 数呈不规则变化。 中涡量增大所导致的,通过对此处的涡量分析可以 b. 比较模型S8s、S8和¥81可知,辐板上单个 得到相同的结论。图4是基于图2中的A—A剖面 开孔面积增加,则车轮阻力系数增加,而总阻力系数 得到的车轮横向的速度流场,从中可以看出车轮周 呈不规则变化。 围展向涡旋的情况。 因此,在轮辋辐板设计中应充分考虑开孔的布 由于辐板外侧的几何形状的改变,使得外侧涡 置方式,以达到最佳的气动特性。 的位置上移,车轮底部的速度有所增加,而速度梯度 4.2轮腔内的流场 有所减小。由于辐板开孔数的增加和开孔面积的变 不同轮辋辐板对轮腔内气流特性的影响是最直 化,车轮左上角的流场中有新涡旋产生。在图4d、e、 剪切涡2 切涡2 车体 剪切 轮腔 剪切 部1 剪切涡3 \ /剪切涡 2 剪切涡4 局部2 (a)FO (b)S7 (c)S8 剪切涡3 (d)S9 (e)S8s (f)S81 图4轮腔内A—A剖面速度矢量线图 一l8一 汽车技术 维普资讯 http://www.cqvip.com

・设汁・计算・研究・ f中,该位置仁的涡旋(剪切涡1)已经十分清楚,这 也是车轮阻力略有增加的原因。而模型S7阻力增加 豁 " 矾 引的原因是由于从开孑L处溢出的流体恰好增加了外侧 涡(剪切涡1)的强度。由此可知,均匀开孑L的数目与 车轮阻力系数并不是简单的线性关系,而是存在一 个使车轮阻力系数最小的极值点。 随着辐板开孔面积的增大,侧面涡有加强的趋 势,这是因为面积的增大导致更大量的气体交换,所 以横向通过车轮的气体流量增加,这样势必为车轮 增加r额外的阻力,导致车轮阻力系数增大(模型 S8s、S8、¥81数值依次增加)。 4.3车轮后部流动 模型底部的流场特性影响着汽车的行驶稳定 性。在这一区域中,车轮及其轮辋辐板对汽车底部流 场的影响为主要因素。由图5可以看出,由于辐板的 不同而导致车身底部流场不同:模型F0的后部有 一个明显的剪切涡,并且被拖拽的很长,在车身底部 的区域中没有破裂的现象;在模型S7中,由于辐板 开孔,车轮后部的涡有被拉长的趋势,并且涡的核心 略有下移;模型S8则出现了一对剪切涡,气流的旋 转方向相反,这种情况的出现说明在此处来流的能 量被大量消耗,同时两个涡迅速破裂,没有向后拖 拽。综合6种模型计算结果可知,在车轮后部可以形 成两个不同种类的涡;一种是粗壮的剪切涡并同时 被向后拖拽,在这种情况下容易消耗较大的能量;另 一种是在车轮后部形成了一对剪切涡,没有被向后 拖拽,虽然在局部形成这样的涡耗能较大,但就整体 而言,这种情况的阻力较小。以上分析说明,车身底 部的拖拽涡是此处消耗能量的关键因素。 (a)FO (b)S7 2006年第5期 43 9 25 6 22 0 | 、8,3 。、4 6 fc)S8 534 ¨¨34 3 1 (d)S9 59 7 51 7 4 7 苷 23 9 (e)S8s 49 2 42 2 铡3351j 28l  l2】l (±)S8l 图5模型底部流场流线 5 结论 在该研究中,就汽车所受的总阻力系数而言,不 同形状的轮辋辐板可使其值增加2倍以上,因此在 轮辋辐板的设计中,应充分考虑它引起的空气动力 特性的变化。 通过对设计出的不同辐板的流场进行的CFD 研究与分析,可得出如下结论: a. 车轮和车身之间流场的相互干扰是阻力变 化的一个主要原因。 b, 由于辐板几何形状的改变,使得外侧涡的 位置上移,车轮底部的气流速度有所增加,而速度梯 度有所减小。 C. 随着辐板开孔面积的增大,侧面涡有加强 的趋势,对车轮增加了额外的阻力。 一19一 维普资讯 http://www.cqvip.com

・设计・计算・研究・ KWP2000协议分析及开发测试 刘国权 张伯英 宋卫锋 (恒润科技有限公司) 【摘要】介绍了欧洲汽车领域广泛采用的车载诊断协议KWP2000。针对KWP2000诊断服务在K线(ISO 14230) 和CAN总线(ISO 15765)上的两种实现方式,对协议的核心内容和发展历史进行了较为深入的剖析和对比。介绍了 采用Matlab/Simulink/StateFlow进行协议开发的一般流程,以及该协议在Vector公司的CANoe软硬件平台上的应 用实现和开发过程。 主题词:KWP2O00 K线CAN总线开发 中圈分类号:U472.42文献标识码:B文章编号:l00O一3703(2006)05—002O—O5 The Analysis and Development Test of Protocol KWP2000 Liu Guoquan,Zhang Boying,Song Weifeng (Hirain Technologies Company) 【Abstract】The on-board diagnostic protocol KWP2000 that apply widely in Europe automotive ifeld is introduced in this paper.According to the two kinds of realization manner of KWP2000 diagnostic service that is in the K line(ISO 14230)and CAN bus(ISO 15765),deeply analyze and compare the core content and development history of the protoco1. hTe general flow of protocol development that apply Matlab/Simulink/StateFfow,the application and development process ofthe protocol in the CANoe software and hardware flafform are introduced in this paper. Key words:KWP2OOO,K line,CAN bus,development l前言 的局限性,使得K线无法满足13趋复杂的车载诊断 网络的需求。而CAN(Controller Area Network)网络 在汽车故障诊断领域,针对诊断设备和汽车 由于其非破坏性的网络仲裁机制、较高的通讯速率 ECU之间的数据交换,各大汽车公司几乎都制订了 (可达1M bps)和灵活可靠的通讯方式,在车载网络 相关的标准和协议。其中,欧洲汽车领域广泛使用的 领域广受青睐,因此,近年来欧洲汽车领域广泛采用 一种车载诊断协议标准是KWP2000(Keyword Pro- 了基于CAN总线的KWP2000,即ISO 15765协议, tocol 2OOO),该协议实现了一套完整的车载诊断服 而基于K线的KWP2000物理层和数据链路层协议 务,并且满足E—OBD(European On Board Diagnose) 将逐步被淘汰。 标准。KWP2000最初是基于K线的诊断协议。由于 在网络协议开发和应用方面,美国MathWorks K线物理层和数据链路层在网络管理和通讯速率上 公司和德国Vector公司提供了功能强大的开发和 t } ; ≈# } {Z》‘ § 《 ....≮ ,.. #,.  ... 《 l 。 #。 {d. 在车轮后部可以形成两种不同的涡,一种 4 Axon L,Garry K,Howell J.An Evaluation of CFD for Modeling 是粗壮的剪切涡,另一种是在车轮后部形成了一个 the Flow around Stationary and Rotating Wheels.SAE Techn- 涡对;车身底部的拖拽涡是消耗能量的关键因素。 ical Paper 980032. 参考文 献 5 Skea A F,Bullen P R,Qiao J.CFD Simulations and Expefimen- 1 Axon L,Garry K,Howell J.The Influence of Ground Condition tal Measurements of hte Flow over a Rotating Wheel in a Wh- on the Flow atound a Wheel Located within a Wheelhouse Ca- eel Arch.SAE Technical Paper 20()0一O1一O487. vity.SAE Technical Paper 1 999-01-0806. 6 Cogotti A.Car—wake Imaging Using a Seven—hole Probe.SAE 2罗建曦等.汽车底部复杂流场数值模拟.汽车工程,2003,25 Technical Paper 860214. (4):330~333. 7 Addel A F.An Investigation into the Aerodynamics of the Ext- 3 Wichem G,Zwicker K,Pfanderhauer M.Rotating Wheels hTeir ernal Flow around a Bus(Daewoo Mode1).SAE Technical Pa- Impact on Wind Tunnel Test Techniques and on Vehivle Drag per 962173. Results.SAE Technical Paper 970133. (责任编辑文拇) 修改稿收到日期为2006年1月12日。 一2O一 汽车技术 t '聋 《 l 

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