FlowVision軟件在輪胎噪聲仿真中的應(yīng)用

趙崇雷，侯丹丹，廖發(fā)根，穆龍海，危銀濤

[1.易瑞博科技（北京）有限公司，北京 100084；2.清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；3.中策橡膠集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310018]

輪胎噪聲是汽車噪聲非常重要的來源之一，尤其是汽車行駛速度達(dá)到70 km·h-1以上時(shí)，輪胎噪聲占據(jù)了汽車噪聲的主要部分[1-2]，因此降低輪胎噪聲已成為降低汽車噪聲的重要手段。世界各國(guó)相繼出臺(tái)了專門的輪胎噪聲限制法規(guī)，尤其是歐盟于2012年開始實(shí)施的輪胎標(biāo)簽法對(duì)輪胎噪聲提出了更加苛刻的要求。面對(duì)日益嚴(yán)苛的法規(guī)環(huán)境，研究輪胎降噪技術(shù)、開發(fā)低噪聲綠色環(huán)保輪胎是學(xué)術(shù)界和企業(yè)面臨的一項(xiàng)緊迫任務(wù)。

輪胎噪聲的產(chǎn)生機(jī)理非常復(fù)雜，主要包括了與空氣動(dòng)力相關(guān)的泵浦噪聲、空氣柱共鳴噪聲、赫姆霍茲共振噪聲、空氣紊流噪聲以及與振動(dòng)相關(guān)的胎面沖擊振動(dòng)噪聲、花紋塊粘滑振動(dòng)噪聲和粘吸振動(dòng)噪聲[3]。目前業(yè)界對(duì)各種噪聲機(jī)理所占輪胎噪聲的比例沒有一個(gè)準(zhǔn)確的定論。項(xiàng)大兵等[4]創(chuàng)建了復(fù)雜花紋輪胎模型，并采用混合拉格朗日-歐拉（MLE）方法對(duì)3款輪胎的沖擊振動(dòng)噪聲進(jìn)行仿真，取得了良好的效果。包秀圖等[5]利用有限元方法得到輪胎在地面滾動(dòng)時(shí)表面節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)速度，并將其轉(zhuǎn)化為聲學(xué)計(jì)算的頻域邊界條件，再利用聲學(xué)邊界元計(jì)算輪胎的低頻振動(dòng)噪聲。

本工作基于FlowVision流體仿真軟件，采用流固耦合的方法對(duì)輪胎的沖擊振動(dòng)噪聲進(jìn)行模擬，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以期提供一種輪胎噪聲仿真方法。

1 流固耦合仿真

1.1 輪胎滾動(dòng)模擬

某385/65R22.5載重子午線輪胎軸對(duì)稱有限元模型如圖1所示，軸對(duì)稱模型仿真結(jié)束后，通過“symmetric”關(guān)鍵字將其旋轉(zhuǎn)成3D光面輪胎模型，并通過Tie接觸將花紋貼到光面輪胎模型上。

圖1 輪胎軸對(duì)稱有限元模型

在Abaqus/Standard中模擬輪胎裝配、充氣和垂向預(yù)加載，充氣壓力為830 kPa，垂向預(yù)加載（Fz）為31 850 N；通過import命令將分析結(jié)果導(dǎo)入Abaqus/Explicit中模擬輪胎加速和勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，速度為70 km·h-1，并保證勻速轉(zhuǎn)動(dòng)不少于3周。

1.2 Abaqus和FlowVision流固耦合聯(lián)合仿真

FlowVision采用基于非貼體笛卡爾網(wǎng)格的有限體積法，采用全球領(lǐng)先的特有子網(wǎng)格幾何重構(gòu)網(wǎng)格技術(shù)在較粗的網(wǎng)格下可完全保持原邊界的曲率，更容易將流體域與固體域區(qū)分開，自動(dòng)建立濕邊界（wetted interface），能處理任意復(fù)雜物體的動(dòng)邊界和邊界變形問題。支持計(jì)算-監(jiān)測(cè)-后處理實(shí)時(shí)顯示，用戶可以在模擬分析過程中隨時(shí)新增或移除后處理操作，大大提高了分析能力。與其他流體軟件相比，F(xiàn)lowVision軟件還具備以下特點(diǎn)：

（1）高效率、高品質(zhì)的自動(dòng)化網(wǎng)格技術(shù)；

（2）簡(jiǎn)便直接的流固耦合計(jì)算；

（3）獨(dú)特的Moving Body技術(shù)使物體在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)模擬變得簡(jiǎn)捷；

（4）有效且快速的間隙流算法。

輪胎壁面模型如圖2所示。從Abaqus中滾動(dòng)輪胎的odb結(jié)果文件中提取流場(chǎng)分析所需的輪胎網(wǎng)格信息，制作成inp文件，導(dǎo)入FlowVision中設(shè)置為壁面邊界條件。流固耦合面上單元網(wǎng)格和節(jié)點(diǎn)信息從滾動(dòng)結(jié)果文件odb中提取，將流固耦合面單元信息提取并寫入重啟動(dòng)文件中。同時(shí)，在流固耦合重啟動(dòng)文件中，使用Abaqus中的“Co-Simulation”關(guān)鍵詞來調(diào)用外部流場(chǎng)仿真軟件，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真功能。

圖2 輪胎壁面模型

輪胎噪聲聲源主要集中在接地區(qū)域附近、接地印痕前后端和胎側(cè)部位，因此在進(jìn)行流場(chǎng)仿真時(shí)，為了節(jié)省求解時(shí)間和計(jì)算資源，空氣域的幾何尺寸為長(zhǎng)1 000 mm（x軸方向），寬800 mm（z軸方向），高300 mm（y軸方向），相應(yīng)的流場(chǎng)邊界設(shè)置見圖3。

圖3 流場(chǎng)邊界設(shè)置

圖4給出不同時(shí)刻流場(chǎng)仿真結(jié)果，分析壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)和湍流場(chǎng)隨時(shí)間變化的規(guī)律。

圖4 不同時(shí)刻流場(chǎng)仿真結(jié)果

（1）輪胎接地前端和后端都存在明顯的局部壓力集中和波動(dòng)。在接地后端橫溝以及鋼片中封閉的空氣得到釋放，也形成明顯的壓力波動(dòng)。縱溝內(nèi)部為低壓區(qū)，胎側(cè)橫溝開口處有局部高壓，這是由于滾動(dòng)過程中縱溝和橫溝內(nèi)的空氣從胎側(cè)的橫溝排出形成的。

（2）隨著滾動(dòng)過程的進(jìn)行，輪胎周圍流體速度分布呈現(xiàn)“八”字形向兩側(cè)散開。局部分析發(fā)現(xiàn)，在輪胎滾動(dòng)前端與路面接觸的胎肩處，速度明顯高于周圍區(qū)域。在接地印痕中輪胎與路面形成狹小空間，導(dǎo)致花紋溝槽內(nèi)流速非常大。在接地區(qū)域后端封閉溝槽與外部空氣接觸，在接地區(qū)域經(jīng)過壓縮的空氣得到釋放，在3條縱溝開口處和鋼片處，流場(chǎng)速度大。接地后端3條縱溝排出的氣體在中間溝槽位置匯合，并向遠(yuǎn)端延伸。

（3）從湍流場(chǎng)的結(jié)果可以看出，在t=0.039 3 s時(shí)刻，輪胎周圍渦流主要在胎側(cè)、胎肩和接地前端區(qū)域開始形成，隨著輪胎不斷滾動(dòng)，胎側(cè)和接地前端的渦流區(qū)域逐漸增大，胎側(cè)處的渦流向后方擴(kuò)散，接地前端的渦流區(qū)域也向前端緩慢移動(dòng)。接地后端的渦流呈現(xiàn)“煙霧狀”向后方擴(kuò)散，這與接地區(qū)域后端速度場(chǎng)的流速分布存在一定的關(guān)系。結(jié)合速度場(chǎng)可以看出，渦流的分布主要在流場(chǎng)速度較低的位置。

1.3 輪胎噪聲計(jì)算

提取流體作用在花紋和胎體上的壓力脈動(dòng)，其屬于偶極子源，滾動(dòng)的輪胎對(duì)流體不斷產(chǎn)生推力，導(dǎo)致流體質(zhì)點(diǎn)速度不斷變化，從而產(chǎn)生噪聲；滾動(dòng)輪胎周圍氣流在物體表面產(chǎn)生的紊流會(huì)導(dǎo)致輪胎表面產(chǎn)生升力波動(dòng)，從而產(chǎn)生噪聲。

采用Virtual Lab中的自動(dòng)匹配層技術(shù)，在輪胎結(jié)構(gòu)網(wǎng)格外設(shè)置包絡(luò)面網(wǎng)格，從而定義聲學(xué)網(wǎng)格（見圖5）并賦予空氣材料和屬性[6]。按照?qǐng)D6所示布置9個(gè)場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格，輸出輪胎的近場(chǎng)噪聲頻譜結(jié)果并求得聲壓級(jí)。

圖5 聲學(xué)網(wǎng)格

圖6 傳聲器布置示意

2 試驗(yàn)與仿真結(jié)果分析

輪胎振動(dòng)噪聲仿真時(shí)輪胎在轉(zhuǎn)鼓的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行滾動(dòng)，且輪胎中心沒有發(fā)生平移運(yùn)動(dòng)。為了保持試驗(yàn)與仿真工況的一致性，本工作使用輪胎近場(chǎng)噪聲試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。近場(chǎng)噪聲試驗(yàn)在半消聲室內(nèi)完成，以輪胎接地中心為圓心、1 m為半徑的半圓弧上分別放置9個(gè)傳聲器，位置如圖6所示。試驗(yàn)方案詳見文獻(xiàn)[7]。

仿真和試驗(yàn)結(jié)果見圖7。對(duì)比分析試驗(yàn)和仿真結(jié)果可知：輪胎近場(chǎng)噪聲試驗(yàn)和仿真結(jié)果都具有明顯的指向性，輪胎接地前后聲壓級(jí)最大，而且接地后方要明顯大于接地前方，輪胎正側(cè)方聲壓級(jí)最小，總體呈“V”字形分布；120°～180°（前方）仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為接近，而0°～90°分析結(jié)果誤差較大。

圖7 聲壓級(jí)隨場(chǎng)點(diǎn)方位角度的變化曲線

為進(jìn)一步了解輪胎噪聲產(chǎn)生機(jī)理，對(duì)90°方向聲場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)和仿真頻譜特性進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見圖8。

從圖8可以看出，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果很吻合，仿真結(jié)果峰值頻率為562，842和1 404 Hz，與試驗(yàn)結(jié)果非常接近，僅存在4～8 Hz的誤差。

圖8 90°測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)與仿真頻譜對(duì)比

節(jié)距噪聲（泵浦噪聲）[6]基本頻率（f）的計(jì)算公式如下。

式中，ve為輪胎滾動(dòng)速度，np為輪胎圓周上花紋節(jié)距數(shù)，rt為輪胎滾動(dòng)半徑。

對(duì)于該款真實(shí)花紋輪胎的運(yùn)行工況，ve為70 km·h-1，np為48，rt為0.52 m，計(jì)算得到節(jié)距噪聲的f為285 Hz。仿真結(jié)果體現(xiàn)了節(jié)距噪聲的基本峰值頻率，試驗(yàn)結(jié)果在該頻率處并未存在峰值，但在562，842和1 404 Hz處分別存在二階、三階和五階節(jié)距噪聲引起的峰值，而四階峰值較不明顯，仿真、試驗(yàn)和理論結(jié)果三者有較好的一致性。

3 結(jié)論

（1）輪胎接地前端和接地后端都存在明顯的局部壓力集中和波動(dòng)；隨著滾動(dòng)過程的進(jìn)行，輪胎周圍的流體速度分布呈現(xiàn)“八”字形向兩側(cè)散開；接地后端的渦流呈現(xiàn)“煙霧狀”向后方擴(kuò)散，這與接地區(qū)域后端速度場(chǎng)的流速分布存在一定的關(guān)系。渦流主要分布在流場(chǎng)速度較低的位置。

（2）輪胎近場(chǎng)噪聲試驗(yàn)和仿真結(jié)果都具有明顯的指向性，即輪胎接地前后聲壓級(jí)最大，且接地后方要明顯大于接地前方，輪胎正側(cè)方聲壓級(jí)最小。

（3）對(duì)比90°測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)與仿真頻譜可知，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果非常吻合，誤差僅為4～8 Hz。