某車型A柱風(fēng)噪優(yōu)化研究

王俊龔旭張濤,2陳如意,2

（1.長安汽車股份公司汽車工程研究總院；2.汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

某車型A柱風(fēng)噪優(yōu)化研究

王俊1龔旭1張濤1,2陳如意1,2

（1.長安汽車股份公司汽車工程研究總院；2.汽車噪聲振動和安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

針對某自主車型側(cè)風(fēng)下出現(xiàn)風(fēng)噪較大的問題，查找原因發(fā)現(xiàn)A柱設(shè)計(jì)缺陷使其在側(cè)風(fēng)下成為一個顯著的噪聲源。基于CFD分析方法發(fā)現(xiàn)，通過增加A柱裝飾件和修改A柱型面，均能明顯減小氣流分離區(qū)。在風(fēng)洞中對增加A柱裝飾件的優(yōu)化方案進(jìn)行了由車外至車內(nèi)的風(fēng)噪測試，測試結(jié)果表明，該方案對側(cè)窗表面聲壓級和語言清晰度有明顯的優(yōu)化效果?？偨Y(jié)出A柱的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及風(fēng)噪的改善措施，指出在車身開發(fā)過程中必須對A柱進(jìn)行側(cè)風(fēng)穩(wěn)態(tài)分析。

1 前言

在樣車裝車階段主觀評價中發(fā)現(xiàn)某車型存在整車風(fēng)噪大的問題，特別是在有側(cè)風(fēng)環(huán)境下尤為明顯。為解決該問題，通過CFD分析原因，制定了優(yōu)化方案，進(jìn)行了工程可行性分析和產(chǎn)品設(shè)計(jì)，通過進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，對側(cè)窗表面聲壓級和乘員艙聲壓級及語言清晰度做了對比測試。

國內(nèi)、外文獻(xiàn)對后視鏡風(fēng)噪的關(guān)注和分析較多[1～7]，但是目前國內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)A柱風(fēng)噪分析及優(yōu)化測試的文獻(xiàn)，也沒有研究A柱設(shè)計(jì)來降低風(fēng)噪的文獻(xiàn)。本文在此背景下通過分析和測試研究，提出了低風(fēng)噪A柱的截面形狀及風(fēng)噪控制方法。

2 研究方法

將CAD模型導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)行部件分組和面處理，以對應(yīng)的網(wǎng)格尺寸劃分網(wǎng)格，將面網(wǎng)格導(dǎo)入STAR-CCM＋后，建立如圖1所示的求解域，求解域尺寸為11L×13W×4H，其中，L、W、H分別為車長、車寬、車高，其進(jìn)口距車身前端為3L；對網(wǎng)格進(jìn)行檢查，并且提高面網(wǎng)格質(zhì)量以避免計(jì)算發(fā)散，設(shè)置多個局部加密區(qū)后劃分成約1 100萬的Trim體網(wǎng)格單元。

設(shè)定模型入口的風(fēng)速為120 km/h，側(cè)風(fēng)設(shè)置0°或10°偏角，出口為壓力出口邊界條件，環(huán)境溫度為20℃，空氣密度為1.205 kg/m3，湍流模型為Realizable K-Epsi?lon模型，差分格式為2階迎風(fēng)格式。Realizable K-Epsi?lon模型引入了與旋轉(zhuǎn)和曲率有關(guān)的內(nèi)容，可以有效用于不同類型的流動模擬。

模型的修改則通過使用網(wǎng)格變形軟件進(jìn)行局部變形，再重新導(dǎo)入軟件進(jìn)行部件網(wǎng)格替換及縫合修改，重新劃分體網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。通過后處理技術(shù)，繪制總壓為零的等值面來評估分離區(qū)及發(fā)現(xiàn)問題，并對比優(yōu)化效果。

3 分析及優(yōu)化

3.1 原狀態(tài)分析

對原狀態(tài)進(jìn)行0°與10°偏角下側(cè)風(fēng)的流場計(jì)算，獲得分離區(qū)如圖2所示。從圖2的分離區(qū)可以看出，在0°偏角下，即無側(cè)風(fēng)影響下A柱的分離區(qū)較為合理，而在10°偏角下，前乘員側(cè)的A柱分離區(qū)相對0°偏角下明顯變大，整個前排側(cè)窗基本被分離區(qū)所覆蓋，增加了噪聲源區(qū)域，使乘員艙內(nèi)人員對風(fēng)噪的主觀感受變得明顯。通過CFD分析證實(shí)該車型在側(cè)風(fēng)作用下風(fēng)噪變得明顯，而0°偏角的常規(guī)分析難以發(fā)現(xiàn)A柱的風(fēng)噪問題。

3.2 優(yōu)化方案

如圖3所示，對原方案A柱斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時，發(fā)現(xiàn)該車型A柱前沿的第Ⅰ段平面很窄，第Ⅱ段接近平面而無上擾度。同時發(fā)現(xiàn)其A柱的斷差過大，整體斷差約為22 mm，而且該A柱無密封條或裝飾條，這樣類似刀鋒的結(jié)構(gòu)非常容易使A柱氣流分離而形成不穩(wěn)定的渦漩，成為明顯的噪聲源，這些因素是導(dǎo)致該車型原狀態(tài)風(fēng)噪大的主要原因。

如圖4所示，優(yōu)化方案1在A柱附近增加高度×寬度為18 mm×20 mm的裝飾條，該方案相當(dāng)于在A柱前端增加一段平面，用于擴(kuò)展第Ⅰ段平面。如圖5所示，優(yōu)化方案1使得0°偏角下A柱分離區(qū)減小，而在10°偏角下，A柱分離區(qū)減小相當(dāng)明顯。

圖6為優(yōu)化方案2的結(jié)構(gòu)示意圖，對A柱的第Ⅱ段型面進(jìn)行修改，將第Ⅱ段型面向車外拉伸7 mm，通過增加A柱的上撓系數(shù)，避免A柱中間部分出現(xiàn)平面使氣流提前分離[8]。

從圖7可以看出，0°與10°偏角下，優(yōu)化方案2的分離區(qū)均相對于原狀態(tài)有所減小，但是優(yōu)化效果明顯比優(yōu)化方案1要差。

3.3 優(yōu)化方案疊加及計(jì)算匯總

將優(yōu)化方案1（增加裝飾條）和優(yōu)化方案2（A柱型面優(yōu)化）疊加后進(jìn)行CFD分析計(jì)算，圖8為原狀態(tài)和疊加方案在截面Z=1 m的分離區(qū)對比圖。對A柱的分離區(qū)進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)0°偏角下疊加方案的分離區(qū)減小約7.7%（長度方向ΔL%*寬度方向ΔW%），而在10°偏角下則減小約45.5%。顯然，在側(cè)風(fēng)下分離區(qū)改善更為明顯。

增加車速為100 km/h和140 km/h的工況，考察分離區(qū)與速度的關(guān)系，各種工況及方案下的A柱分離區(qū)匯總?cè)绫?所示。從表1可以看出，車速對分離區(qū)大小影響不明顯，而車速越大A柱渦漩的強(qiáng)度越大，風(fēng)噪亦會越大。

表1 各種工況及方案下的A柱分離區(qū)測量結(jié)果

對比疊加方案后的A柱分離區(qū)可以發(fā)現(xiàn)，其分離區(qū)相對于優(yōu)化方案1仍有一定改善，證明優(yōu)化方案1和優(yōu)化方案2相互并不沖突，可以同時實(shí)施，疊加方案為最優(yōu)方案。其中，優(yōu)化方案1為主要優(yōu)化方案，在0°偏角下分離區(qū)減小約5.8%，在10°偏角下則減小約39.5%，其優(yōu)化效果比優(yōu)化方案2更加明顯。該車型通過優(yōu)化后A柱分離區(qū)尺寸接近參考車的A柱分離區(qū)尺寸。

4 風(fēng)洞試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

由于優(yōu)化方案2涉及A柱型面修改，需要修改整個側(cè)圍件，其變更成本巨大，需要等待現(xiàn)有模具達(dá)到使用壽命周期再進(jìn)行切換實(shí)施，因此重點(diǎn)關(guān)注優(yōu)化方案1的驗(yàn)證及實(shí)施。本次樣車在上海地面交通工具風(fēng)洞中心（SAWTC）進(jìn)行測試。

4.2 側(cè)窗表面聲壓級測試

采用HEAD acoustics公司的36通道采集設(shè)備SQlabⅢ和B&K公司的表面微型麥克風(fēng)進(jìn)行采樣，駕駛員側(cè)和前乘員側(cè)各布置3個測點(diǎn)，其與車身中截面對稱，如圖9所示，測點(diǎn)L01靠近后視鏡，L02處于A柱影響區(qū)，L03處于氣流附著區(qū)的安靜地帶，離乘員艙人耳最近。

使用HEAD ArtemiS軟件進(jìn)行后處理，得到各個測點(diǎn)的總聲壓級如圖10和圖11所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方案1絕大部分測點(diǎn)在2 000 Hz以內(nèi)的聲壓級改進(jìn)非常明顯。

在車速120 km/h和0°偏角下，優(yōu)化方案1駕駛員側(cè)的3個測點(diǎn)相對于原狀態(tài)的總聲壓級降低約0.9～5.6 dB（A），靠近后視鏡的測點(diǎn)L01降低最多，其降幅達(dá)5.6 dB（A），靠近B柱的測點(diǎn)L03降低2.7 dB（A）；優(yōu)化方案1前乘員側(cè)的3個測點(diǎn)相對于原狀態(tài)的總聲壓級降低約1.7～4.8 dB（A），靠近后視鏡的測點(diǎn)R01降低最多，其降幅達(dá)到4.8 dB（A），靠近B柱的測點(diǎn)R03降低1.7 dB（A）。

在車速120 km/h和10°偏角下，駕駛員側(cè)為迎風(fēng)側(cè)，優(yōu)化方案1相對于原狀態(tài)沒有改善；前乘員側(cè)為背風(fēng)側(cè)，優(yōu)化方案1相對于原狀態(tài)的總聲壓級降低約0.3～5.2 dB（A），靠近B柱的測點(diǎn)R03降低5.2 dB（A），該測點(diǎn)離乘員艙內(nèi)人耳較近，對乘員的風(fēng)噪感受影響明顯。

4.3 車內(nèi)聲壓級和語言清晰度測試

在風(fēng)洞中依據(jù)聲學(xué)-汽車車內(nèi)噪聲測量方法（GB/T 18697—2002），在駕駛員和前乘員左右耳處共布置4個麥克風(fēng)采集車內(nèi)聲壓級和語言清晰度。獲得優(yōu)化方案1的改進(jìn)效果測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 乘員艙內(nèi)聲壓級和語言清晰度的優(yōu)化效果

從表2可以看出，在車速120 km/h和0°偏角下，優(yōu)化方案1相對于原狀態(tài)總聲壓級降低約0.7 dB（A），語言清晰度提高約3.1%，乘員艙內(nèi)風(fēng)噪改善明顯。4個測點(diǎn)的語言清晰度優(yōu)化基本保證一致。在車速120 km/h和10°偏角下，優(yōu)化方案1相對于原狀態(tài)總聲壓級降低約1.0 dB（A），語言清晰度提高約5.7%，乘員艙內(nèi)風(fēng)噪改善明顯。4個測點(diǎn)總聲壓級和語言清晰度的優(yōu)化幅度從駕駛員左側(cè)到前乘員右側(cè)依次增加，說明背風(fēng)側(cè)的優(yōu)化效果較好。結(jié)合表面聲壓改進(jìn)來看，駕駛員側(cè)的側(cè)窗表面聲壓并沒有明顯改進(jìn)，而前乘員側(cè)的側(cè)窗表面聲壓改進(jìn)明顯，從前乘員側(cè)的側(cè)窗表面?zhèn)魅氤藛T艙的聲能量減小明顯，正好對應(yīng)了側(cè)風(fēng)下4個測點(diǎn)總聲壓級和語言清晰度優(yōu)化程度呈現(xiàn)出的梯度情況。優(yōu)化方案1在10°偏角下的優(yōu)化幅度明顯強(qiáng)于0°偏角，即該優(yōu)化方案對側(cè)風(fēng)改善更為明顯，這與CFD分析及側(cè)窗表面聲壓測試結(jié)果均保持一致。

5 結(jié)束語

通過增加A柱裝飾件和修改A柱型面能夠減小A柱分離區(qū)，改善A柱的噪聲源，使得側(cè)窗表面聲壓級降低，減少傳入車內(nèi)的噪聲量，提高車內(nèi)語言清晰度，對車內(nèi)噪聲改善效果明顯。

在后續(xù)車型開發(fā)過程中，需要關(guān)注A柱的斷差和型面，必須進(jìn)行側(cè)風(fēng)計(jì)算，了解A柱分離區(qū)情況。A柱設(shè)計(jì)時需要盡量降低A柱與前風(fēng)擋之間的斷差，將第Ⅰ段平面留足20 mm以上，第Ⅱ段需要一定的上擾度，避免做成平面。若無法保證第Ⅰ段尺寸要求，需要提前考慮安裝A柱裝飾件。建議在車身開發(fā)過程中對A柱增加側(cè)風(fēng)的穩(wěn)態(tài)流場分析，這樣并不需要進(jìn)行分析周期長且消耗大量計(jì)算資源的瞬態(tài)大渦模擬分析，就能通過分離區(qū)的尺寸預(yù)測優(yōu)化A柱的風(fēng)噪問題。

1 Wolf-Heinrich Hucho.Aerodynamics of Road Vehicles (Fourth Edition).Society of Automotive Engineers,Inc., 1998.

2 Fred Browand,Rose McCallen,James Ross(Eds.).The Aero?dynamics of Heavy VehiclesⅡ：Trucks,Buses,and Trains.Springer-Verlag Berlin Heidelberg,2009.

3 ALAMF,WATKINS S.Pressure fluctuations on automotive rear view mirrors.SAE Paper 2007-01-0899.2007.

4 Khalighi B,Johnson J P,Chen K Het al.Experimental char?acterization of the unsteady flow field behind two outside rear view mirrors.SAE Paper 2008-01-0476.

5 ASK J,DAVIDSON L.The sub-critical flow past a generic side mirror and its impact on sound generation and propaga?tion.12th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conf.2006.

6 AFGAN I C,MOULINEC D L.Numerical simulation of ge?neric side mirror of a car using large eddy simulation with polyhedral meshes.Int J Numerical Methods Fluids.2008.

7 李啟良，楊志剛，陳楓.汽車后視鏡非定常流的大渦模擬.空氣動力學(xué)學(xué)報(bào)，2010，28（4）:478～483.

8 王俊，龔旭，等.CFD技術(shù)在汽車車身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.汽車技術(shù)，2013，4:14～17.

（責(zé)任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2015年6月1日。

Study on Aerodynamic Noise Optimization for a Vehicle A-pillar

Wang Jun1,Gong Xu1,Zhang Tao1,2,Chen Ruyi1,2
（1.Changan Auto Global R&D Center,Changan Automobile Co.Ltd;2.State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology）

Investigation is made to a Chinese brand vehicle which has awful aerodynamic noise in cross wind environment,it is found that A-pillar design defect makes it a noise source in cross wind.It is identified based on CFD analysis method that airflow separation zone is markedly decreased by installing A-pillar garnish and modifying the A-pillar surface.Then the optimization of adding A-pillar garnish has been tested in wind tunnel,which includes the SPL (sound pressure level)test on the side window surface and in the passenger cabinet,the results show that the average SPL of test point on side window surface and the speech intelligibility index in passenger cabinet have a distinct improvement.Finally the design key points and noise improvement measures for A-pillar is summarized,the crosswind flow field analysis for A-pillar is necessary in car body design process.

Vehicle，Aerodynamic noise reduction，CFD，A-pillar

汽車整車 降低風(fēng)噪 CFD A柱

U467.4+93

A

1000-3703（2015）09-0041-04