一種汽車風(fēng)噪與風(fēng)阻虛擬分析方法

屈鵬 劉雪瑩

（北京汽車集團(tuán)越野車有限公司）

車輛經(jīng)濟(jì)性及舒適性提升涉及多個方面，傳統(tǒng)方法包括采用能量流管理系統(tǒng)、動力系統(tǒng)優(yōu)化等提升經(jīng)濟(jì)性，通過加裝隔聲材料降低噪聲水平。這些方法雖然有效，但是投入成本高、開發(fā)周期相對較長，難以滿足車輛年度型產(chǎn)品快速改進(jìn)投放市場的要求。文章提出一種汽車風(fēng)阻及風(fēng)噪虛擬分析方法，實(shí)現(xiàn)車輛年度型產(chǎn)品改進(jìn)定量分析方法，經(jīng)過驗(yàn)證，達(dá)到理想效果。

1 汽車產(chǎn)品空氣動力學(xué)研究與實(shí)施

汽車產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程中，實(shí)施空氣動力學(xué)和乘客艙風(fēng)噪聲評估和優(yōu)化非常重要。在產(chǎn)品設(shè)計早期階段，性能目標(biāo)尚未確定，使用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行空氣動力學(xué)和乘客艙風(fēng)噪聲的性能評估和優(yōu)化，使整車性能指標(biāo)達(dá)標(biāo)。項(xiàng)目分為4個階段實(shí)施：基本型和目標(biāo)評估、空氣動力學(xué)優(yōu)化、風(fēng)噪聲優(yōu)化、最終確認(rèn)。

以某越野車為例，在進(jìn)行動態(tài)測試時，發(fā)現(xiàn)在中高速行駛過程中風(fēng)噪聲相對較大，油耗偏高。空氣動力學(xué)性能優(yōu)化的初始目標(biāo)是：最終版數(shù)模風(fēng)阻系數(shù)（Cd）的計算結(jié)果不超過0.40。通過仿真軟件對其流場和噪聲進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)整車前部有較大的氣流分流現(xiàn)象，汽車尾部氣流收斂不強(qiáng)，不能很平順地剝離，風(fēng)阻較大。在對基本型進(jìn)行計算后提出改動范圍，并評估性能優(yōu)化的潛力，確定最終的目標(biāo)值。最終版數(shù)模的計算結(jié)果需滿足此次確定的目標(biāo)值。

風(fēng)噪聲性能的評估將基于內(nèi)部噪聲的大小。通過前擋和前側(cè)窗傳入駕駛員頭部空間的噪聲將用于計算駕駛艙內(nèi)部的噪聲頻譜。1 000～6 300 Hz是主要關(guān)注的頻率范圍，該頻率范圍內(nèi)總聲壓級的A計權(quán)將作為文章中風(fēng)噪性能評估的量化標(biāo)準(zhǔn)。

2 基本型和目標(biāo)評估

2.1 風(fēng)噪聲模擬分析描述

根據(jù)空氣動力學(xué)和風(fēng)噪聲仿真的最佳實(shí)踐，準(zhǔn)備基本型的計算模型。上述計算將使用統(tǒng)一的發(fā)動機(jī)艙、底盤部件以及上車身的整車外表面，將這些幾何元素導(dǎo)入PowerFLOW的數(shù)字風(fēng)洞進(jìn)行模型設(shè)置。

在開放路面的行駛工況條件下，使用運(yùn)動地面和旋轉(zhuǎn)車輪的邊界條件進(jìn)行空氣動力學(xué)的模擬和分析，后處理包括詳細(xì)的流場分析。根據(jù)其結(jié)果，對基本型的空氣動力學(xué)性能進(jìn)行匯報和闡述。

風(fēng)噪聲的模擬使用靜止地面和輪胎的條件，這與典型的風(fēng)洞試驗(yàn)測試流程一致。另外，在項(xiàng)目初始階段和最終驗(yàn)證模型階段使用整車模型。在過程優(yōu)化階段，風(fēng)噪聲的計算可使用半車（最小阻力的外形是以流線型的一半構(gòu)成的車身，稱“半車”），并根據(jù)最佳標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐計算駕駛員側(cè)的流場。將前側(cè)窗和前風(fēng)擋的壓力計入風(fēng)噪聲的分析。乘客艙風(fēng)噪聲模擬的后處理將會進(jìn)行詳細(xì)的風(fēng)噪聲分析。分析包括經(jīng)由前風(fēng)擋和前側(cè)窗傳入駕駛室內(nèi)部的前排乘客頭部區(qū)域的噪聲等級分析。根據(jù)結(jié)果，對風(fēng)噪聲性能和潛力進(jìn)行匯報和解釋。

2.2 風(fēng)噪聲計算數(shù)據(jù)需求

進(jìn)行風(fēng)噪聲分析需要5個方面的數(shù)據(jù)：整車的CAD/CAS外表面、車速、車身姿態(tài)、換熱器空氣側(cè)的壓力損失曲線（包括散熱器、中冷器、冷凝器），以及內(nèi)部噪聲計算所需的參數(shù)，這些參數(shù)包括：1）前擋風(fēng)玻璃和前側(cè)窗玻璃的屬性（單層/夾層玻璃）；2）玻璃厚度，如果是夾層玻璃，需要提供每層的厚度；3）彈性模量和泊松比（包括玻璃及夾層材料）；4）玻璃和夾層的阻尼損耗因子；5）乘員艙內(nèi)部總?cè)莘e；6）乘員艙的混響時間。

3 空氣動力學(xué)及風(fēng)噪聲優(yōu)化

對某越野車進(jìn)行空氣動力學(xué)優(yōu)化計算，結(jié)果的后處理包括詳細(xì)的空氣動力學(xué)分析。根據(jù)計算結(jié)果，提出改進(jìn)潛力以及改動目標(biāo)外表面，進(jìn)行系統(tǒng)地優(yōu)化計算，提出帶有定量效果的優(yōu)化建議，最終達(dá)到性能目標(biāo)。

基于最佳標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐，對新車型的風(fēng)噪聲性能進(jìn)行評估和優(yōu)化。根據(jù)基本型分析結(jié)果，實(shí)施設(shè)計迭代以減少乘客艙的風(fēng)噪聲水平，依據(jù)改型的自由度，評估不同設(shè)計的影響，包括：發(fā)動機(jī)艙蓋角度、后視鏡基座和鏡體、三角塊以及A柱根部的落水槽區(qū)域。上述區(qū)域是能夠改善乘客艙風(fēng)噪聲的典型區(qū)域，但并不意味著對于此項(xiàng)目，完整的設(shè)計空間一定在此范圍之內(nèi)。此階段要嘗試的改型將根據(jù)基本型和計算分析進(jìn)行確定，逐步進(jìn)行設(shè)計更改和測試，如果效果不明顯，再進(jìn)一步更改。之后可能會逐步施加更多的設(shè)計改型，同步計算幾個設(shè)計改型，將其組合并計算驗(yàn)證是否達(dá)標(biāo)。此項(xiàng)目使用的流程也需根據(jù)基本型的分析，確定改型建議。

4 實(shí)車氣動性風(fēng)阻分析及建議

在汽車的前端形狀設(shè)計中，如能盡量倒圓棱角，并減小頭部的正面投影面積，就可得到較好的空氣動力學(xué)效果。同時，風(fēng)窗玻璃與發(fā)動機(jī)裝飾罩的夾角、頂蓋外形平滑度、A柱傾角、后側(cè)圍及頂蓋對空氣動力學(xué)也有著不同程度的影響[1]。

以某量產(chǎn)越野車為例進(jìn)行分析，該車造型整體風(fēng)格硬朗，但受限于底部的結(jié)構(gòu)設(shè)計，無法在底部加裝較多護(hù)板，整體風(fēng)阻系數(shù)偏高?；跉鈩有阅芴嵘脑O(shè)計原則，對汽車局部進(jìn)行修正及優(yōu)化，重點(diǎn)考慮局部細(xì)節(jié)和其他空氣動力學(xué)套件的安裝與優(yōu)化，如圖1所示。

圖1 某車型空氣動力學(xué)套件的安裝與優(yōu)化圖

仿真分析結(jié)果如下：前保兩側(cè)倒角半徑＞50 mm，風(fēng)阻系數(shù)（Cd）可降低0.003；尾部增加擾流板可使Cd降低0.004，尾燈及尾燈下方倒角半徑＜10 mm，Cd可降0.003；前保兩側(cè)開角降低2°，Cd可降0.001；A柱增加裝飾條，倒角半徑＞30 mm，Cd可降0.004；前保下沿倒角半徑＜50 mm，增加氣壩，Cd可降 0.01～0.015，安裝前輪阻風(fēng)板，Cd可降0.003。最終可有效降低Cd達(dá)0.028，達(dá)到了較好的降阻效果。

5 結(jié)論

基于汽車氣動性能提升的設(shè)計原則，車頭設(shè)計需要圓潤飽滿，抑制氣流分離，轉(zhuǎn)角處倒角半徑要大[2]，轉(zhuǎn)角處切線與水平夾角不宜大于5°；車身表面的設(shè)計需平順化，避免較大斷差，整體造型自B柱后呈內(nèi)收趨勢，車頂最高點(diǎn)靠前，前風(fēng)擋與水平夾角盡量不大于40°；車尾設(shè)計要增加較為鋒利的特征，使氣流收斂[3]并平順地剝離，轉(zhuǎn)角處倒角半徑要小。底盤各部件配置應(yīng)盡量平整，前懸附近如有過于凸出的部件，可以添加導(dǎo)風(fēng)板以整流，后保險杠與油箱護(hù)板盡量連接。后續(xù)將進(jìn)一步量化汽車產(chǎn)品風(fēng)阻及油耗、風(fēng)阻及風(fēng)噪的指標(biāo)關(guān)系。