某SUV車型A柱風(fēng)噪性能優(yōu)化研究

覃炳恒 覃慶鸞

【摘 要】A柱作為汽車的重要組成部分，其造型不僅對視野障礙角有重大影響，對汽車風(fēng)噪性能也非常敏感。文章以某款SUV為例，應(yīng)用PowerFlow軟件對A柱的造型特征進(jìn)行風(fēng)噪仿真計算，通過對A柱進(jìn)行造型優(yōu)化以達(dá)到降低風(fēng)噪的目的，同時研究影響A柱的重要參數(shù)，為A柱的前期風(fēng)噪控制提供參考。

【關(guān)鍵詞】A柱;風(fēng)噪;SUV優(yōu)化

【中圖分類號】U463 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）05-0035-03

0 引言

在汽車發(fā)展日新月異的今天，人們對乘車舒適度有了更高的要求，而汽車在高速行駛時，由高速不定性氣流激勵產(chǎn)生的無動力學(xué)規(guī)律的風(fēng)噪聲會令乘客極為不適，因此如何降低風(fēng)噪已成為NVH的重要研究課題。當(dāng)車速達(dá)到80 km/h時，風(fēng)噪聲逐漸掩蓋其他噪聲成為主要噪聲源，隨著車速的提高，更是以車速6次方的關(guān)系增加[1]，因此高速行駛的汽車噪聲控制的有效途徑是控制風(fēng)噪。影響風(fēng)噪的因素很多，風(fēng)噪的大小取決于車速、偏航角、車輛外造型及密封性能等因素，車輛外造型是引起風(fēng)噪的源頭，直接決定了噪聲源的大小和位置。因此，通過CAE仿真的手段做好外造型的前期控制，不但可以有效抑制風(fēng)噪，也可減少風(fēng)洞試驗(yàn)次數(shù)，對控制成本與開發(fā)周期有利。

車身外造型對風(fēng)噪影響較大的區(qū)域主要是A柱、后視鏡、發(fā)動機(jī)罩及外造型的搭接方式，其中，A柱對風(fēng)噪的影響極為敏感，不但受到機(jī)蓋尾部流場的影響，經(jīng)過前風(fēng)窗的部分氣流也會流向A柱，少部分渦流從前風(fēng)擋下部流向A柱與后視鏡耦合區(qū)域，流動狀態(tài)急劇變差，故A柱與后視鏡區(qū)域產(chǎn)生的聲源是整車風(fēng)噪的最大風(fēng)噪聲源[2]。因此，控制A柱造型，減少A柱氣流分離成為控制風(fēng)噪的關(guān)鍵，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)[3]。

A柱造型對風(fēng)噪很敏感，流向前風(fēng)擋玻璃的氣流從側(cè)面流出，在A柱上端分開后形成向上移動的圓錐形漩渦，從A柱分離的流體在側(cè)窗附近產(chǎn)生一個高強(qiáng)度的錐形渦，這里形成的聲源離駕駛員耳朵的位置非?？拷由洗安Ａ且环N很差的絕緣體，因此A柱聲源的重要性顯而易見。A柱分離后的流體會對外后視鏡流場起到增強(qiáng)的作用，所以合適的A柱對抑制聲音目標(biāo)、降低氣流的渦流強(qiáng)度很關(guān)鍵。本文使用PowerFlow軟件，以某款車型為基礎(chǔ)，從正向開發(fā)的角度對A柱斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析及優(yōu)化。

1 研究方法

本文對某車型的A柱造型進(jìn)行優(yōu)化，其造型特征主要包括前風(fēng)窗玻璃與A柱頂點(diǎn)的距離h、A柱撓度、A柱過渡圓角R、A柱飾板等（如圖1所示）。

PowerFlow是集流場、聲場分析于一體的分析軟件，計算得到流場數(shù)據(jù)后，需要通過PowerACOUSTICS軟件進(jìn)行傅立葉時頻轉(zhuǎn)換得到噪聲激勵信息之后，進(jìn)行聲傳播計算。同時，時頻轉(zhuǎn)換計算完成后，采用PowerVIZ軟件對計算結(jié)果進(jìn)行處理，得到流場分布及聲壓級分布云圖。PowerACOUSTICS計算的目的有兩個：一是通過時頻轉(zhuǎn)換，將流場信息轉(zhuǎn)化為聲學(xué)信息，以用于PowerVIZ后處理;二是在PowerACOUSTICS中生存SPL曲線，該曲線為SPL聲壓級隨頻率變化的曲線，可導(dǎo)入玻璃對聲波的衰減曲線等聲學(xué)包信息，計算得到乘員艙內(nèi)駕駛員頭部噪聲。PowerVIZ后處理主要產(chǎn)生流場信息圖及聲產(chǎn)信息，如總壓等值面CPT=0、渦流核心、貼面流線、聲壓級分布、壓力脈動、切面速度云圖等。

2 仿真及優(yōu)化

2.1 前風(fēng)窗玻璃與A柱頂點(diǎn)的距離h的影響

在原狀態(tài)的基礎(chǔ)上，將前風(fēng)窗與A柱的段差h減小5 mm，其他結(jié)構(gòu)及參數(shù)均保持不變，得出的SPL曲線圖如圖2所示。

圖2是優(yōu)化前后的SPL曲線圖對比，反映的是不同頻段的聲壓級大小。從SPL曲線圖可以看出，優(yōu)化后的總聲壓級在高頻段明顯降低，主要原因是優(yōu)化后側(cè)窗的貢獻(xiàn)量減少了，h值的減小使得車內(nèi)噪聲聲壓級降低0.75 dBA，語音清晰度提升了1.4%。

優(yōu)化前后的渦量圖如圖3所示，優(yōu)化前A柱上的渦流量較強(qiáng)，渦流在撕裂的過程中產(chǎn)生聲源，通過側(cè)窗玻璃傳到駕駛員耳朵，優(yōu)化后A柱區(qū)域的渦流強(qiáng)度明顯降低，主要原因是從機(jī)蓋、前風(fēng)窗玻璃上的氣流在經(jīng)過A柱時，由于h段差小，氣流分離少，故經(jīng)過A柱時產(chǎn)生的渦流量較少。

優(yōu)化前后的聲壓級云圖如圖4所示。從兩圖對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后A柱區(qū)域產(chǎn)生的聲波輻射傳遞到側(cè)窗玻璃減弱，B柱底部側(cè)窗玻璃的聲波載荷也有所減弱，這是因?yàn)閮?yōu)化后經(jīng)過A柱的氣流分離相對減少，A柱與后視鏡耦合區(qū)域聲壓脈動減弱，后視鏡尾部聲壓脈動也得到一定改善，聲波輻射也有所減弱。

2.2 A柱撓度的影響

在原狀態(tài)的基礎(chǔ)上，修改A柱斷面撓度值，分析撓度值對風(fēng)噪的影響。撓度方案如圖5所示，a方案A柱斷面內(nèi)收1.0 mm，b方案A柱斷面外拱1.5 mm，其他外造型、聲學(xué)包參數(shù)一致。

各方案的車內(nèi)噪聲貢獻(xiàn)頻譜對比如圖6所示。從圖6可以看出，a方案在各個頻率下均較原方案好，b方案在高頻段比較好，低頻段較a方案較差。2 800～5 600 Hz的聲壓級分布云圖如圖7所示。圖6對比圖7可以看出，修改A柱撓度主要是對側(cè)窗高頻噪聲產(chǎn)生影響，配合側(cè)窗無夾層玻璃較強(qiáng)的高頻穿透屬性，側(cè)窗噪聲的整車風(fēng)噪性能的影響較大。相較于原方案，a方案車內(nèi)噪聲聲壓級降低1.14 dBA，語音清晰度提升了2.58%，b方案車內(nèi)噪聲聲壓級降低了0.29 dBA，語音清晰度提升了1.73%。

2.3 A柱過渡圓角R的影響

以某車A柱為例分析A柱過渡R角對整車風(fēng)噪的影響，原狀態(tài)A柱斷面倒角為R1.5，c方案A柱斷面倒角為R9，d方案斷面倒角為R18。A柱斷面過渡倒角示意圖如圖8所示。

各狀態(tài)下的車內(nèi)噪聲頻譜如圖9所示，由SPL曲線可知，c、d方案的高頻段得到了很大的改善，說明大倒角利于流體的運(yùn)動，減少氣流的分離，A柱產(chǎn)生渦流量降低，A柱側(cè)窗附近產(chǎn)生的噪聲源得到抑制。c方案聲壓級降低了0.5 dBA，語音清晰度提高了1.8%，d方案聲壓級降低了0.7 dBA，語音清晰度提高了2.1%。對比c、d方案，可以看出倒角越大對風(fēng)噪越有利，倒角半徑達(dá)到一定程度會使整個流場發(fā)生質(zhì)變，再增大倒角效果不明顯。

外造型渦流圖如圖10所示，從A柱區(qū)域的渦流情況看，原狀態(tài)的A柱渦流較為嚴(yán)重，c、d方案的A柱區(qū)域渦流得到了較大的改善，主要是因?yàn)樽龃蟮菇呛蠼?jīng)過A柱的氣流分離減少了，渦流量也隨之減弱。

2 800～5 600 Hz的聲壓云圖如圖11所示，c、d方案較原方案聲波輻射均有所減弱，主要原因是A柱氣動分離減少，氣流經(jīng)過A柱產(chǎn)生的渦流量較少，A柱聲源也隨之變?nèi)?。此外，A柱優(yōu)化后A柱與后視鏡的耦合區(qū)域的聲源也得到一定的改善。

2.4 A柱飾板的影響

e方案為增加A柱飾板，在原狀態(tài)的基礎(chǔ)上，增加30 mm寬的A柱飾板（如圖12所示）。

e方案與原狀態(tài)車內(nèi)噪聲噪聲頻譜如圖13所示。從圖13的SPL曲線可知，增加A柱飾板在所有頻率下聲壓級都有所降低。從數(shù)據(jù)結(jié)果上看，增加A柱飾板后車內(nèi)噪聲總聲壓級降低1.74 dBA，語音清晰度提升3.3%，可見，A柱飾板對風(fēng)噪影響很大，但我們仔細(xì)分析可知，A柱飾板對車內(nèi)噪聲降低比較明顯的頻段在1 200 Hz以下的低頻段，高頻段也有所降低，但并不明顯。

3 結(jié)語

本文基于PowerFlow軟件對A柱的風(fēng)噪性能進(jìn)行仿真及優(yōu)化，從得出的結(jié)果分析可知：A柱各參數(shù)對風(fēng)噪的影響都是極為敏感的，前風(fēng)窗玻璃與A柱頂點(diǎn)的距離，A柱外側(cè)倒角的大小，A柱外表面撓度及A柱飾板都是A柱造型比較重要的參數(shù)，對A柱風(fēng)噪影響較大，各優(yōu)化方案對風(fēng)噪的效果已比較明顯。通過這次分析，可快速找到優(yōu)化A柱風(fēng)噪的方法與思路，為正向開發(fā)的A柱造型設(shè)計提供參考依據(jù)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]龐劍.汽車車身噪聲與振動控制[M].北京：北京機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[2]李明亞.某SUV車型機(jī)艙蓋風(fēng)噪性能優(yōu)化研究[A].中國汽車工程學(xué)會汽車空氣動力學(xué)分會，2018中國汽車工程學(xué)會汽車空氣動力學(xué)分會學(xué)術(shù)年會論文集[C].2018.

[3]王俊，龔旭，張濤，等.某車型A柱風(fēng)噪優(yōu)化研究[J].汽車技術(shù)，2015（9）：41-44.