基于空气动力学分析的A柱结构优化设计

曹升平，杨小弟

（江苏敏安电动汽车有限公司，江苏 南京210000）

0 前言

目前轿车的风阻系数一般在0.28～0.4之间，SUV车型风阻系数因受造型限制，一般在0.33以上。

随着国内越来越严苛的排放法规要求和客户的舒适性需求，国内汽车企业在性能开发中也越来越关注燃油消耗率和NVH性能。而且随着计算机技术的发展，越来越多的汽车分析软件被引入到自主品牌汽车企业车型开发过程中，并且起到很重要的作用，空气动力学分析就是其中之一。上个世纪80年代开始，欧美主机厂开始将CFD应用于汽车设计过程中。近年来开始采取不同的湍流模型模拟气流分离流动，通过汽车空气动力外形设计，光顺汽车外形，调整甚至消除流动分离和涡流的产生。国内对汽车空气动力学的研究上的起步比较晚，上个世纪末才开始引入研究，到近几年自主车企才开始在车身外造型优化中应用，由于算法及精度问题，对造型的优选，以及局部细节结构的优化评估，还主要是在定性对比阶段[1-5]。

本文以车身A柱结构形式的设计为例，介绍了在汽车造型阶段，通过对局部工程结构形式的优化，在满足车身刚强度、安全要求以及视野法规要求的前提下实现CFD模流分析中风阻系数和车身外表面空气湍流更小的造型形式，从而达到提高燃油效率，提升整车的舒适性、操控性，提升产品的市场竞争力的目的。

1 造型分析

当前车型造型通过油泥模型试验测试，风阻系数为0.362，与目标定义0.34任有较大差距，需通过分析找出造型优化方案以进一步减小风阻系数。

将造型CAD模型导入HyperMesh中进行处理，通过汽车外流场CFD分析，从分析结果中找出气流分离区及涡流区域，并使用网格处理来实现模型修改，找出通过局部优化提升性能的建议方案。

从分析结果的可视化图形中（图1）能看到造型现有方案在A柱处气流过早分离，导致在A柱后方的侧门玻璃上湍流载荷和声波载荷集中，增大能量损耗，不利于控制气动阻力和气动噪声。

图1 湍流载荷

2 A柱局部优化建议

针对A柱气流分离进行模型修改分析，发现通过将A柱靠近前风挡玻璃处平面加宽，可以延迟气流分离，减小分离区。图2是截面加宽5 mm示意。

图2 A柱截面加宽5mm

同时在A柱与前风挡的边界增加气流导槽，如图3所示，优化气流在A柱分离点位置，可降低侧门玻璃的气动噪声。

为证实这一设想，她利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，敲除该基因编码区，被破坏掉编码区的ZmGRP1就无法正常表达。将经过此处理的植株和正常植株进行比对，发现有一千多个基因的可变剪接受到影响。ZmGRP1就如司令官指挥千军万马一般，调控着这些基因的可变剪接。

图3 A柱断面增加导槽

3 工程可行性分析

根据造型更改建议方案，工程分析结构可行性。

3.1 A柱加宽5 mm

对A柱加宽进行断面分析：车身A柱平面向车内增加5 mm，从而使车身A柱与前风挡分缝线向车内方向也移动5 mm，玻璃涂胶空间不变，导致玻璃黑边也需要向车内方向移动5 mm。从工艺角度和刚强度上考虑都可行，但是A柱加宽后会影响视野障碍角，从A柱障碍角校核断面上可以看到黑边向车内移动5 mm后，导致障碍角角度增大0.5°，如图4所示。

图4 A柱障碍角校核

3.2 A柱与前风挡的边界增加气流导槽

针对流场分析建议A柱与风挡之间增加气流导槽结构进行分析，直接在侧围钣金增加导槽结构主要影响侧围外板冲压工艺，经冲压工艺分析，增加导槽结构导致模具整形工序结构强度不足，压料力不足，会引起侧围外板A面品质问题；整形斜锲回退空间不足，回退过程与零件干涉，同时因为此处侧围外板会出现负角，需要二次整形，原有工序中无法在此处增加一次整形，需要增加单独一序整形，导致无法适应冲压车间自动化线生产，自动化线要求零件四/五序化生产。

综上分析，直接将车身A柱截面宽度增加并增加导槽的结构不可行。

结合市场中竞品车型对比分析，可采用如奥迪A3类似结构，在风挡玻璃增加侧装饰条的方案达到此效果。装饰条可通过注塑成型，满足导槽截面要求，同时装饰条可布置在玻璃黑边范围内，不仅可以不增大A柱障碍角，还可以从车外遮挡风挡黑边，从外观上减小了玻璃黑边区域。

通过结构可行性分析，选择通过增加前风窗装饰条的方案进行后续分析。

4 工程结构设计

增加风窗装饰条需要车身提供安装固定结构，可采用车身焊接安装支架、车身铆接安装支架、车身植焊T形钉等方式实现。

4.1 车身焊接安装支架

如图5结构所示，车身侧围外板焊接金属支架，风挡装饰条通过卡接在金属支架中。

图5 车身焊接安装支架结构示意

此结构在实现过程中焊接定位比较困难，定位夹具翻转结构复杂，同时过程质量不好控制，侧围外板A柱腔体较小，焊钳容易与侧围外板外观面出现磕碰损伤。

4.2 车身铆接安装支架

如图6所示，在车身侧围外板上通过铆接工艺增加装饰条安装支架，装饰条卡接在安装支架中。

图6 车身铆接安装支架结构示意

铆接直接方案能有效规避焊接支架方案的风险问题，但是铆接需要在侧围外板的侧面增加铆接孔，冲压分析需要在增加工序，无法满足五序化生产，同时模具结构复杂，斜锲实现困难，且冲孔落料滑落不稳，除此之外模具强度也存在风险。

4.3 车身植焊T形钉

如图7所示，侧围外板植焊T形钉，风挡装饰条通过卡接在T形钉上。

图7 侧围外板植焊T形钉结构示意

此方案需避免安装后出现晃动量大的问题。

综合对比分析车身焊接支架、车身铆接支架、植焊T形钉等方案的工艺实现难度及后续质量控制，最终选择工艺更容易实现的车身植焊T形钉方案来提供A柱装饰条安装，外观结构如图8所示。

图8 A柱结构外观图

对最终A柱装饰条方案进行CAE仿真分析，验证最终方案对风阻及风噪的改善效果。图9是增加A柱装饰条前后气流在A柱的分流区变化，左侧为未增加A柱装饰条的状态，右侧为增加A柱装饰条的状态，对比更改前后风阻系数减少0.002 5。

图9 A柱气流分流区示意图

图10 为有无A柱装饰条的内部频谱对比曲线。从分析曲线可以看到，增加A柱装饰条，优化气流在A柱的分离，可以将声压级降低2～3 dBA。

图10 有无A柱装饰条内部频谱对比

5 结束语

空气动力学分析在汽车开发过程中越来越多的被主机厂引入，并在造型阶段通过CFD分析，以降低风阻和减小风噪等为出发点，为造型提供优化建议，工程结构应在满足其他功能、性能的前提下，尽可能的从结构上实现工艺可行的方案，以达到市场越来越高的燃油经济性、NVH舒适性、稳定操控性要求。