节能车车身组设计说明书.docx
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节能车车身组设计说明书
车身设计课程设计
课题：
本田节能车车身设计
学校：
福建工程学院
学院：
机械与汽车工程学院
班级：
车辆1202班
姓名:
钟兴昌、蒋诚诚、李郑江、李聪昌
指导老师：
钟勇
前言……………………………………………………………………………………………3
1.赛车外形的重要性…………………………………………………………………………4
1.2车身建模.………………………………………………………………………………5
2.车身空气动力学分析部分…………………………………………………………………10
2.1.摘要……………………………………………………………………………………10
2.1.1.汽车坐标系空气动力受力分析…………………………………………………10
2.1.2.汽车的空气阻力受力分析………………………………………………………12
2.1.3.空气阻力对最大车速的影响……………………………………………………12
2.1.4.空气阻力对最大加速性能的影响………………………………………………12
2.1.5.空气阻力对最大车速的影响…………………………………………..………13
2.2汽车的气动升力………………………………………………………………………13
2.3.几何模型………………………………………………………………………………15
2.3.1几何模型…………………………………………………………………………15
2.3.2风洞（计算域）…………………………………………………………………15
2.4ICEMCFD网格划分…………………………………………………………………16
2.4.1网格划分…………………………………………………………………………16
2.4.2边界条件的确定…………………………………………………………………19
2.5、FLUENT分析…………………………………………………………………………21
2.5.1、将划分好的网格导入FLUENT，并按顺序设置相关参数……………………21
2.5.2.Fluent计算后的结果……………………………………………………………22
3碳纤维车身材料……………………………………………………………………………28
3.1碳纤维车身概念………………………………………………………………………28
3.2碳纤维材料特性………………………………………………………………………28
3.3碳纤维车身制作过程…………………………………………………………………28
4.本田节能车座椅设计………………………………………………………………………30
4.1．人机工程学的运用…………………………………………………………………30
4.1.1.人体尺寸…………………………………………………………………………30
4.2．驾驶员眼椭圆及视野设计…………………………………………………………34
4.2.1视野………………………………………………………………………………34
4.3.座椅设计方案………………………………………………………………………39
5.车身与车架连接方案………………………………………………………………………41
5.1具体方法……………………………………………………………………………42
5.2焊接注意事项………………………………………………………………………43
6.参考文献………………………………………………………………………………47
前言
Honda（本田）节能竞技大赛于1981年在日本创办，到今天已有27年的历史。
比赛要求参赛车辆使用统一的本田低油耗汽油发动机（125cc），而车架和车身等部件完全由各车队独自创作，赛车在指定的赛道内跑完赛程，比赛消耗的燃油最少。
在日本，每年都有来自初中、高中和大学等的学校代表队、企业代表队，以及来自社会上的共约500支车队，创作出具有新颖构思和创意的赛车参加比赛。
在迄今为止的27届比赛中创下的最高记录为3435.325km/L，相当于北京到重庆的直线往返距离。
同时，这项比赛也逐渐向海外扩展，泰国、巴基斯坦、俄罗斯、韩国等的参赛者相继参加了日本的比赛。
Honda节能竞技大赛的目的是通过比赛提高社会的节能和环保意识，它结合了关于发动机总成改造、车架和机械机构设计、车身空气动力学、材料应用等的相关知识，让参赛车队通过各项技术挖掘一升汽油的无限潜能。
同时，比赛也为参赛者提供体验亲手设计和制作赛车的乐趣的机会，提高实践能力。
Honda创始人本田宗一郎曾说，节能竞技大赛的宗旨在于“让肩负着人类未来的年轻人通过思考和实践来体会如何更有效地利用资源，如何把我们生存的这个星球更完好地传递给下一代。
”
1.赛车外形的重要性
根据经济节能大赛的规则，比赛时的平均速度必须在25km/h以上。
考虑到实际参加比赛行驶时，发车时要加速、速度过快时要停止发动机进行滑行、而速度下降时又要启动发动机进行加速，这种操作需要循环重复进行。
因此，若再受到车辆的构造、形状的影响，有些车在行驶时的最高速度可能会超过50km/h，这时候，风压会造成巨大空气阻力。
减少行驶阻力对经济节能大赛车辆是绝对条件，而减少占据其较大比例的空气阻力非常重要。
下面作为具体事例，表1分别显示了轿车、摩托车、经济节能大赛车辆有无整流罩时的数值。
其中Cd为空气阻力系数，A为正面投影面积，Ra为空气阻力。
其中行驶车速为40km/h。
从这一结果可以看出，经济节能大赛车辆由于车重轻，滚动阻力小，但很明显时速为40km/h时的空气阻力却不小。
如果经济节能大赛车辆没有整流罩，车手的身体和零部件暴露在外面，那么即使正面投影面积A再小，Cd也不会变小。
与此相对，有整流罩、调校完备的经济节能大赛车辆，不管正面投影面积有多大，阻力系数CD也会非常小，此时空气阻力降低为无整流罩时的45％，是滚动阻力值的一半。
上面的计算是就一个例子进行的，很明显不管有无整流罩，空气阻力都是很大的阻力。
时速加速到40km/h，然后挂空档行驶时，也就是滑行前进时的时间、车速、行驶距离之间的关系如表2所示。
开始滑行50秒后，有整流罩的车辆速度变为17.7km/h，其间行驶的距离为393m。
而没有整流罩的车辆，速度降为13.7km/h，而且其间行驶距离要少40m为354m。
因此，想要良好的节能效果，必须加上导流车身。
节能大赛以节能为目的，车身的造型是比赛的关键因素，有着良好空气动力技术的造型设计，不仅美观，还能有效减少风阻、排挤侧风、提高行驶稳定性等。
在2007年的Honda中国节能竞技大赛中，从比赛的成绩亦可以看到，具有合理设计的车身的赛车比简单制作外壳等覆盖件的赛车更具比赛上的优势。
符合空气动力学的车身造型设计，成为了一项重要的课题。
比如，作用在赛车上的气动力和气动力距和赛车性能密切相关，气动阻力更直接影响燃油消耗率，气动侧向力、横摆力矩又带来了直线行驶能力、操纵性等相关问题。
研究节能赛车的车身，主要是研究作用在赛车上的气动力、气动力力矩，为了深入了解赛车表面的流动机制，亦要对赛车的流谱左分析。
此次节能车的车身尺寸主要根据车架来定，所以根据车架组设计的车架尺寸，我们确定了车身的尺寸，具体参数如下表：
参数和规格
名称
数值
单位
整车外观长度
2639
mm
车顶离地高度
542
mm
最小转弯半径
7890
mm
主车体宽度
550
mm
驾驶座下盘宽
429
mm
驾驶座头部宽
330
mm
底座凸缘突出长度
50
mm
底座凸缘前翘角
10.79
mm
正面投影面积
372839
mm
侧面投影面积
1146574
mm
顶面投影面积
1407772
mm
1.2确定完车身的基本尺寸，下一步则利用这些尺寸进行车身的建模。
具体过程如下：
第一步：
绘制简单二维草图
第二部：
进行三维建模
2
2.车身空气动力学分析部分
2.1摘要
汽车空气动力学是研究汽车与空气运动之间相互作用规律以及气动力对汽车各性能影响的一门学科。
汽车空气动力学特性是汽车重要特性之一，他直接影响汽车的动力性，燃油经济性，操纵稳定性，舒适性和安全性。
近年来随着车速的不断提高，汽车的空气动力性能，越来越为人们所熟识，已成为研究汽车车身设计水平的重要依据。
关键词：
空气阻力汽车升动力ANSYS
汽车空气动力学的研究主要包括以下几个方面：
1汽车行驶中的气动力与气动力矩的研究。
2汽车表面及周围的流谱与局部流场的研究。
3发动机和制动装置空气冷却问题研究。
4汽车内部自然通风和换气问题研究。
鉴于我们正处在学习阶段，理论知识还有有待强化。
本篇论文主要研究汽车行驶中气动力和气动力矩的研究。
着重研究怎样使汽车具有较小的气动阻力以减小油耗，提高动力性。
2.1.1汽车坐标系空气动力受力分析
根据伯努利原理，气流的静压强p和动压强pq之和为常数。
动压强pq=ƿv2/2则有
P+pq=p+ƿv2/2=H（常数）
（1）
式子中，v为空气流速（m/s）；ƿ为空气密度（kg/m3）.常数H可由汽车远方气流状态求得。
由式子
（1）表明，当某处气流速度v改变时，此处静压强ƿ比改变，而压强总和H不变。
将整个汽车外表面压力合成而得作用在汽车上的合力，称为气动力F。
合力在汽车上的作用点称为风压中心（cp）。
由于汽车外形对称，风压中心在汽车的对称平面内。
气动力F与气流速度的平方，迎风面积S以及车身形状系数Cf成正比，即
F=pqSCf=ƿv2SCf/2
（2）
式子中S为汽车正面投影面积，又为参考面积；Cf与车身形状有关。
将气动力F分解为三个分力，分别为气动阻力Fx，侧向分力Fy，以及气动升力Fz，即
Fx=ƿv2SCD/2（3）
Fy=ƿv2SCy/2（4）
Fz=ƿv2SCz/2（5）
相应的空气阻力系数CD，侧力系数Cy，升力系数Cz分别为
CD=Fx/（ƿv2S/2）（6）
Cy=Fy/（ƿv2S/2）（7）
Cz=Fz/（ƿv2S/2）（8）
2.1.2.汽车的空气阻力受力分析
汽车的空气阻力Fx是与汽车运动方向相反的气动力由式子（3）可知，其大小与空气主力系数CD，迎风面积S，空气密度ƿ以及车速的平方的成正比。
汽车的空气阻力主要由以下五部分构成。
1形状阻力；2摩擦阻力；3诱导阻力；4干扰阻力；5内部阻力
汽车的空气阻力是汽车空气动力学研究中首要关心的问题，因为它直接影响汽车的最高车速，加速性能和燃油经济性。
2.1.3空气阻力对最大车速的影响
在水平路面匀速行驶的汽车，牵引力Ft与滚动阻力Ff及空气阻力Fx相平衡，即
Ft=（G-Fz）f+ƿv2SCD/2（9）
式子中G为汽车总重力，f为滚动阻力系数，因此可以得到最大车速为：
vmax=√2×（Ft-Gf）/ƿs（CD-CZf）（10）
2.1.4空气阻力对汽车加速性能的影响
汽车在水平路面上匀速行驶时，行驶阻力消耗的功率为
Pr=（G-Fz）fv+ƿCDSv3/2（11）
发动机的功率Pe与阻力功率Pr关系为
Pr=վPe
վ为传动效率
dv/dt=dPeվ/dt（Gf+1.5ƿCDSv2）（12）
2.1.5空气阻力对燃油经济性的影响
汽车匀速行驶时，百公里油耗Q（单位：
L/KM）为
Q=Wbe/102p（13）
W为汽车百公里油耗的功（KW.h），be为发动机的有效油耗率（g/（KW.h））；p为燃油的密度（kg/L）
百公里油耗的功W可以用滚动阻力和空气阻力来表示，因此百公里油耗Q又可以表示为
Q=（Ff+Fx）be/3672ƿվ（14）
2.2汽车的气动升力
汽车的气动升力垂直于汽车的运动方向，及垂直于地面向上为正。
他会降低轮胎的附着力，对汽车的行驶不利。
他会影响汽车的驱动性，操纵性和稳定性，由式子（5）可知升力与升力系数成正比。
升力系数Cz是汽车上下表面曲率的函数，也是上下表面压力差的函数。
为了计算简便，假设汽车是静止的，空气从远方传来，忽略汽车本身的厚度造成的高度差。
此外，认为空气是理想气体，而且作定常流动。
设汽车前方气体的流速为V0，压强为P0，汽车上部汽车流速为V1，压强为P1，汽车的下部流速为V2，压强为P2，空气密度为ƿ，由伯努利方程式得：
P0+ƿV02/2=P1+ƿV12/2（15）
P0+ƿV02/2=P2+ƿV22/2（16）
由（15）-（16）得汽车的上下压力差为:
P2-P1=ƿ（V12-V22）/2（17）
假设汽车的表面积为S获得的升力为F,则有
F=S（P2-P1）=Sƿ（V12-V22）/2（18）
另外由连续性方程得，分别取汽车上下各一小流管，则有
V0S=V1S（19）
V0S’=V1S（20）
由（18）和（19）可以发现V1正比于V0，V2正比于V0，并且联系（18）可得，F正比于（V12-V22），不妨假设这个系数为k,则在（18）式基础上，则得到新方程
F=ƿSKV02/2（21）
经查阅资料（王家楣《流体力学》第十二章机翼理论）可得关于升力系数的相关介绍，其定义为：
Cl=F/2ƿSV02（22）
比较（21）和（22）两个式子很容易发现，Cl即为所推导的系数也证实了我的推理过程。
2.3.几何模型
2.3.1几何模型
本文采用的是自己设计的实车模型，以保证了几何模型的准确性。
分析的模型为1：
1简易模型，对实车模型作了如下简化：
忽略车身外部突起物如车灯、后视镜、刮雨器等部分。
运用CATIA简单建模，模型如图所示：
2.3.2风洞（计算域）
计算域尺寸的选取如图3所示。
为了使数值模拟的计算结果更加接近无限空间内的三维绕流，计算域应该取足够大。
为此上游入口界面距车头为2-3倍车长,下游出口界面距车尾部距离为5-7倍车长。
计算域的上壁面距x平面为5倍车高,左右侧壁为2-3倍车宽。
2.4ICEMCFD网格划分
2.4.1网格划分
采用ICEMCFD软件划分网格。
靠近车身以及车身与地面之间的计算区域由于流动比较复杂，而且也是我们研究的重点区域，所以采用比较密的网格，这样有利于对流场的分析。
而在远离车身的计算区域，出于工作效率的考虑，我们采用比较稀疏的网格，如下图：
用ICEMCFD划分网格时，采用Octree算法进行网格的划分，生成四面体网格和三棱柱网格。
四面体网格在对复杂曲面快速划分网格时有着明显的优势，而三棱柱网格更适用于模拟边界层效应。
由于车身尾部和车身与地面之间的流场比较复杂，因此必须对这两块区域的网格进行加密处理，才能更好的进行流场分析。
计算区域的网格如图4和图5所示。
网格总数基本上保持在129万左右。
图4车身表面网格
图5车身对称面体网格
边界层是空气动力学十分重要的概念，因为空气在近壁面有有粘滞效应，因此我们在车身和车轮设置边界层来模拟它的边界层状况，来提高计算精度
网格质量都在0.2以上，具有分析价值，如图：
19在本文计算当中，边界条件设置可见图6，具体参数如下
（1）入口边界：
取车身前远端面为入口边界，计算时给定入口速度条件为。
空气密度,环境温度设置为。
（2）出口边界：
取车身后远端面为出口边界，边界条件设置为自由流出。
（3）移动壁面条件：
汽车与地面，汽车与空气的相对速度均为汽车行驶速度，这种工况在计算机上进行模拟实验，通常用均匀气流流过汽车模型来模拟行驶的汽车相对于静止的空气运动，显然这导致了静止地面的附面层问题。
而实际汽车行驶时，地面附面层是不存在的，只存在车身表面的附面层。
为了消除在计算机模拟中的地面附面层的影响，将本文中的地面设置为移动壁面，移动速度为。
以消除地面边界层的影响。
（4）固定壁面条件：
将车辆模型外表面设置为固定壁面，满足固定壁面无滑移定律。
入口边界
固定壁面
图6边界条件的设置（参考网上论文）
2.5、FLUENT分析
2.5.1、将划分好的网格导入FLUENT，并按顺序设置相关参数
相关参数值为：
（1）General中设置求解单位为mm；
（2）Models中设置Viscous模型为K-omega；（3）BoundaryConditions中in设置为速度进口velocity-inlet（20m/s），out设置为压力出口pressure-outlet；（4）SolutionMethods中设置Momentum、TurbulentKineticEnergy、SpecificDissipationRate为SecondOrderUpwind；（6）Monitors中新建阻力升力系数的求解；（7）SolutionInitialization中设置从in计算，并单击初始化Initialize按钮进行计算初始化；（8）RunCalculation中设置500步求解，并单击Calculate求解。
2.5.2.Fluent计算后的结果
1升力和系数
整车受到的升力Fy=15.88946MP
整车的升力系数Cy=0.03995442
2阻力及系数
整车受到的空气阻力FX=8.792Mp
整车的空气阻力系数CD=0.022122482
整车受到的升力Fy=15.878946MP
整车的升力系数Cy=0.03995442
整车受到的空气阻力FX=8.792Mp
整车的空气阻力系数CD=0.022122482
3.整车的升力迭代图
4.整车的阻力迭代图：
5.残差图：
6.整车的动态压力：
7.整车的静态压力：
8.整车的压力系数：
9.速度
相对总压力
绝对压强
3碳纤维车身材料
3.1碳纤维车身概念
“碳纤维车身”就是用碳纤维制作的车身。
而“碳纤维”则是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料，是含碳量高于90%的无机高分子纤维。
3.2碳纤维材料特性
作为一种力学性能极为优异的新材料，一般碳纤维的密度为1.8g/cm3，钢的密度为1.8g/cm3，碳纤维的比重还不到钢的1/4，而且，其树脂复合材料的抗拉强度一般也都在3500Mpa以上，单此数值就是钢的7-9倍。
此外，碳纤维的抗拉弹性模量也要明显高于钢。
“轻质抗腐蚀”、“轴向强度高”、“耐磨耐高温”是碳纤维给人留下印象最深的几大特性，同时也是其广泛应用于军事、工业、建筑等领域的基石。
不过，也并不能盲目地认为“碳纤维”就是所谓的“万能材料”，它也有其自身的一些“软肋”。
比方说其耐冲击性较差，很容易受到损伤，而且在强酸作用下会发生氧化，与金属（比如铝）复合时还会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。
所以，一般来讲，碳纤维在使用前都要进行表面处理。
碳纤维是一种力学性能优异的新材料，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7-9倍，抗拉弹性模量额为23000-43000Mpa，也高于钢日本东丽生产的T300系列是目前被世界各大厂商认同的碳纤维材料，其拉伸强度可达到3530Mpa，拉伸模量为230Gpa，拉伸率为1.5%。
T300-3000被广泛用于汽车车身及零部件制作。
本次节能车设计中采用东丽T300-3000作为作为节能车车身材料。
3.3碳纤维车身制作过程
1.模具制造：
按照设计好的车身尺寸和轮廓等比例制造出车身模具，并将模具表面的赵志进行清理，灰尘等杂质会导致塑造出的碳纤维出现瑕疵，因此准备工作第一步是对模具进行彻底的清理。
在贴碳纤维布塑型之前，先要对模具涂上一层脱离剂，方便碳纤维布成型之后的离型。
注意涂抹一定要均匀。
接下来便要对碳纤维布进行裁剪，根据模具进行碳纤维布的切割这个工序必须要很小心，接位必须分毫不差。
2.接着要将干碳纤布贴上模具的表面，贴的时候必须很小心，并且必须把模具与碳纤维布之间的空气完全挤出才不会影响成品的硬度和外型，在贴上模具时候，对于选择粘贴角度和方向也必须仔细考虑。
在模具的背面可贴上双面胶，以免碳纤维布乱跑，碳布不能进行拉扯。
3.通过在模具中按纤维方向交错叠放碳纤维布，利用环氧树脂粘接剂将切割好的碳纤布逐层粘在一起，需要注意的是粘接剂需要涂抹均匀，才不会在碳纤布层之间出现空隙，影响其性能。
碳纤维利用在汽车车身中时，碳纤维布从纸般柔软到钢铁般强硬的变质过程需要用5到10层薄如蝉翼的碳纤维布粘合成加厚版碳纤维布，这时它的柔韧性已经非常差，几乎和刚性材料差不多。
利用粘接剂将碳纤布逐层粘接，
4.铺设粘接好碳纤布之后，将模具连通碳纤布放入烤箱，保持常温在35度左右即可，温度过高，粘接剂容易从边缘溢出，使表面不平整。
5.经过烤箱烘烤之后，需要对碳纤维车身边缘进行修剪、去毛边，以及打磨、抛光等工序。
6.调制树脂，树脂发粘之后将树脂均匀涂抹在碳纤维车身上，并分3次涂抹。
涂第一层树脂时尽量薄一些，待第一层树脂干后再涂抹第二次，依次类推；第二次第三次可适当增加涂层厚度。
7.从模具上取下碳纤维车身，摸上去手感与塑料差不多，却有着钢铁一般的强度和韧性的碳纤维车身便成型。
4.本田节能车座椅设计
4.1．人机工程学的运用
4.1.1.人体尺寸
人体尺寸决定了人体占据的几何空间和活动范围，，是人机系统和产品设计的基本资料，主要包括人机静态尺寸和人体动态尺寸，它们均通过人体测量来获取数据。
人体的金泰尺寸是结构尺寸。
人体的动态尺寸是功能尺寸，包括操作者在工作姿势和某种操作活动状态下测量的尺寸。
GB10000-1988标准定义了我国成年人人体尺寸数据。
从人机工程学角度出发，为保证产品满足使用者需求，必须以群体人体尺寸统计数据作为依据，然而在本次节能车设计中，由于赛车的特殊性，为减轻整车重量和整车尺寸，将采用身高在160-165cm的人体基本尺寸进行设计。
我国GB10000-1988《中国成年人人体尺寸》按照人机工程学的要求提供了我国法定成年人人体静态尺寸的基础数据。
标准中总共给出了7类47项人体基础数据。
（1）人体主要尺寸
人体主要尺寸包括身高、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长。
如下图所示。
（2）立姿人体尺寸
立姿人体尺寸包括眼高、肩宽、肘高、手功能高。
胫骨点高。
如下图所示。
（3）坐姿人体尺寸
坐姿人体尺寸包括坐高、坐姿颈椎点高、坐姿眼高、坐姿肩高、坐姿肘高、坐姿大腿厚、坐姿膝高、小腿加足高、坐深、臀膝距、坐姿下肢长。
如下图所示。
（4）人体水平尺寸
人体水平尺寸包括胸宽、胸厚、肩宽、最大肩宽、臀宽、坐姿臀宽、坐姿两肘间宽、胸宽、腰围、臀宽。
如下图所示。
（5）人体头部尺寸
人体头部尺寸包括头全高、头矢状弧、头冠状弧、头最大宽、头最大长、头围、形状面长。
如下图所示。
（6）人体手部、足部尺寸
4.2．驾驶员眼椭圆及视野设计
4.2.1视野：
人眼所能观察到的空间范围
（1）人眼直视前方不动的视野范围
人眼直视前方不动的垂直视野范围为直前视线上方50°—55°，下方60°—70°。
这里“直视前方不动”是指眼睛保持向前直视且眼球不动，“直前视线”是指两眼瞳孔连线的平分线。
（2）主视野
在一定车速时（车速既影响视力,也影响视野;车速增加,视力下降,视野减小），人的眼睛直视前方不
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