刘振东 彭涛 程佳勇 杨国庆

摘 要：为了使车顶行李架的加载功能满足客户需求，需要在整车耐久试验过程中对其进行加载，验证其可靠性。文中选用两种加载装置对车顶行李架进行加载，利用ANSYS软件对两种装置在不同车速的气动阻力和气动升力进行分析;并以某SUV車型为研究对象，试验验证两种装置的可靠性和潜在失效模式。结果表明，车顶行李框更适合用于车顶行李架的耐久加载试验，为车顶行李架的加载试验提供指导。

关键词：车顶行李架;加载装置;耐久试验;气动阻力;气动升力;失效模式

中图分类号：U467.3  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）05-133-03

Abstract： In order to make the function of roof rack to meet the customer needs， it is necessary to be ballast on roof rack during the durability test and verified its reliability. Two loading devices are select to ballast on the roof rack， using ANSYS to analyze the aerodynamic drag and lift of the two devices at different vehicle speed. Take a SUV model as the research object， validated the reliability and potential failure modes of both devices. The research results provided the roof luggage frame is more suitable for the durability test of the roof rack ballast. It provides guidance for the vehicle ballast on roof rack.

Keywords： Roof rack; Ballast device; Durability test; Aerodynamic drag; Aerodynamic lift; Failure modes

引言

随着社会经济的发展，越来越多的家庭拥有了汽车，有限的车内空间已无法满足用户需求，慢慢开始通过一些附加的设备来提高车辆的运载能力。因此，越来越多的车主开始在车顶行李架上安装加载装置，为汽车扩展出更大的“空间”，因此需要在耐久试验中对车顶行李架进行加载，对设计的可靠性和安全性进行试验验证。

车顶行李架上安装加载装置，这一结构上的变化对汽车的空气动力性能将产生很大的影响。国内外对汽车的空气动力特性的研究已经有了一些成果，文献[1]对九种汽车模型的外流场进行了数值模拟，得到了每种模型的气动阻力和升力。文献[2]分析了不同行李架剖面形状对直背式轿车外流场的影响。但是对行李架的加载装置的空气动力特性的研究文献还很少。本文将选用车顶行李箱和车顶行李框两种装置，在不同车速下的受力进行仿真分析;试验验证并总结了加载装置的潜在失效模式。

1 控制方程及模型选择

1.1 控制方程

通常状态下，汽车的行驶速度均低于200km/h，远小于0.3倍声速，空气密度变化极小，因此汽车顶部车顶行李架加载装置周围的空气流动可按不可压缩处理。总结国内外对汽车外部流场的计算仿真经验，假设流动是定常的，空气介质的物性参数恒为常数，加载装置的周围空气流动处于湍流状态[3]。所用数学模型为描述流体运动基本规律的质量守恒定律、能量守恒定律、动量守恒定律和湍流模型。时均形式的流动控制方程组如下[2]：

由于方程中多出了与脉动量有关的项（Reynolds应力），需要对Reynolds应力作出某种假定，即引入新的湍流模型来封闭方程组，本文采用涡粘模型中的RNG k-ε两方程模型[3]。

扩散项采用中心差分进行离散，对流项采用精度较高的QUICK格式进行离散，方程求解算法采用SMPISO算法。

1.2 气动阻力与气动升力

汽车气动阻力直接影响汽车的动力性和燃油经济性[4]。气动阻力的方向与汽车运动方向相反。汽车气动升力直接影响汽车的操作稳定性和动力性，同时也间接地影响燃油经济性[4]。过高的气动升力使轮胎与地面之间的附着力不足，高速行驶时出现“发飘”现象，引起转向过大，容易导致交通事故的发生。而过高的气动负升力则会加大轮胎与地面之间的摩擦，增大油耗。气动升力的方向为路面垂直向上。气动阻力和气动升力的表达式分别为[4]：

1.3 模型选择

本文选用客户常用的两种加载装置作为研究对象，分别是车顶行李箱和车顶行李框。为了提高计算效率和数据的准确性，本文的计算模型参考实际尺寸，按1：1的比例进行建模，对模型实体表面及内部的凹凸作平滑处理。行李箱的外形长度1488mm，宽度1000mm，高度380mm，如图1所示;行李框的外形长度1620mm，宽度1060mm，高度90mm，如图2所示。

2 网格划分与计算域选取

2.1 网格划分

本文进行网格画分时采用混合网格划分的方法，混合网格是目前运用比较普遍的、比较理想的方法，它充分发挥了结构网格计算精度高和非结构网格贴体性好的优点，已经成为目前比较常用的网格处理方法。本文模型的网格为四面体与六面体混合的方案。如图3和4所示。行李箱的模型较大，网格数约为100万个;行李框的网格数约为200万个。

2.2 计算域选择

为使来流均匀稳定，来流进口应距模型前部一定距離，而为了使汽车尾流充分发展，模型尾部距出口应保持适当的距离，以避免在计算过程中因计算区域过小产生回流。在仿真时，一般设置流场入口到模型前部的距离为模型长度的3倍，流场出口到模型后部的距离为模型长度的6倍。流场宽度一般设置为模型宽度的8倍，流场的高度则设置为模型高度的5倍。从而满足阻塞率的要求，较小的阻塞率可以减小阻塞效应对流场的影响，一般要控制在5%以下。为了减小对比误差，同时满足阻塞率要求，将流场大小设置合适并且一样。设置流场的长度16m，宽度8m，高度3.6m。同时为了让模型周围的流场特征更充分的展开，模型离地间隙设置为1.6m，从而阻塞率远远低于5%，在这样的计算域中计算模型的气动阻力和气动升力的结果更准确。

3 仿真结果与分析

整车耐久试验中的车速范围为0～200km/h，本文对模型在8种车速下的气动阻力和气动升力进行了计算，车速分别为40km/h，60km/h，80km/h，100km/h，120km/h，140km/h，160km/h，180km/h，计算结果见表1和图5。

由表1及图5可知：①行李箱和行李架的气动阻力随着车速的增大而增大;②行李箱的气动升力随着车速的增大而增大;③行李架的气动升力为负值，与方向垂直于地面，随着车速的增大而增大。加装行李箱的汽车，车速越大，气动升力越大，操控性和稳定性越差，安全性越差，越容易“发飘”;加装行李架的汽车，车速越大，反方向的气动升力越大，

操控性和稳定性越好，安全性越好。

4 试验应用

以某SUV车型为研究对象，在耐久试验中考核车顶行李架的设计可靠性，使用行李箱和行李框加装在车顶行李架的横梁上。试验前将载荷均匀分布在行李架横梁之间，并用附属绑带对载荷进行固定。经过一段时间的耐久试验后，行李箱或行李框附属零部件出现损坏失效的问题，例如：高速规范中行李箱盖因气动升力被掀起;制动规范中导致载荷前移损坏行李箱;加载装置的固定卡箍有潜在失效断裂的可能;行李框卡箍安装点腐蚀失效，车顶行李架失效，横梁固定螺栓松脱。

为了防止行车时损坏，检查并确保横梁和货物牢牢紧固。车顶行李架上的货物将提升车辆重心，客户应避免高速行驶、突然起动、急速转向、突然制动或激烈驾驶等操作，否则将导致车辆失控。如果在崎岖道路上远距离行驶或高速行驶，则要不时停车检查以确保货物依然在原位，相关紧固件未出现松动、脱落等问题。

5 结束语

本文对车顶行李架的两种加载装置进行了气动力仿真计算，结果表明加装行李箱的车辆在高速中容易“发飘”，行驶安全性降低;加装行李框的车辆操控性和稳定性更好，安全性较高。试验结果也表明行李箱在试验中更容易损坏，安全性较低。因此，行李框更适合用于耐久试验车顶行李架的加载试验。本文的研究结果为整车耐久试验的车顶行李架加载提供了指导。

参考文献

[1] Robert Lietz and William Pien.A CFD Validation Study for Auto -motive Aerodynamics[A].SAE 2000 World Congress [C]， Detroit， Michgen， USA， 2001.

[2] 康宁，李广辉.行李架形状对直背式轿车外流场影响的研究[J].车辆与动力技术，2008，（3），15-19.

[3] 王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[4] 谷正气.汽车空气动力学[M].北京：人民交通出版社，2005.