浮動(dòng)式汽車天窗氣力密封有限元分析研究

馮莉 付振杰

摘 要：隨著人們物質(zhì)生活的日益需求，每年汽車客戶的期望越來越高，對汽車舒適度要求更加高，汽車天窗在整個(gè)汽車舒適度方面占有很大的影響因素，針對密封性能高的天窗只出現(xiàn)在高端轎車上的問題，設(shè)計(jì)了一款浮動(dòng)式汽車天窗氣力密封裝置，并且運(yùn)用了CFD模擬，通過Navier-Stokes方程求解車輛的外部流場，并計(jì)算車輛表面周圍的氣動(dòng)壓力分布，提取并繪制車輛天窗玻璃上的空氣動(dòng)力學(xué)壓力，并利用ANSYS Workbench軟件開發(fā)一個(gè)有限元模型，通過計(jì)算玻璃上的變形來定義柔性部件的效果。

關(guān)鍵字：CFD模擬;流場分析;空氣動(dòng)力學(xué)壓力;有限元分析

Abstract： With the increasing demand of people's material life， the expectations of automotive customers are getting higher and higher each year， and the car comfort requirements are even higher. Car sunroofs have a great influence on the overall car comfort. Skylights with high sealing performance only appear. In the case of high-end cars， a floating car sunroof pneumatic seal was designed， and CFD simulation was used to solve the external flow field of the vehicle through the Navier-Stokes equation， and the aerodynamic pressure distribution around the vehicle surface was calculated， extracted and plotted The aerodynamic pressure on the vehicle's sunroof glass， and the use of ANSYS Workbench software to develop a finite element model to define the effect of flexible components by calculating the deformation on the glass.

Keywords： CFD simulation; Flow field analysis; Aerodynamic pressure; Finite element analysis

前言

隨著人們經(jīng)濟(jì)生活的日益增長，汽車已經(jīng)成了每個(gè)家庭的必備品，在安全性得到最大的保障的前提下，駕駛舒適性也備受人們的關(guān)注，其中汽車天窗占有很大的影響力。轎車電動(dòng)天窗是轎車車身系統(tǒng)中最大的組成部分總成，它具備采光性能好，車內(nèi)的PM2.5（空氣質(zhì)量）得到改善，轎車檔次得到提高等功能，由此，轎車天窗的質(zhì)量和舒適度越來越受到人們的關(guān)注。

但是，就目前的國內(nèi)天窗市場而言，百分之八十以上的市場份額仍然被德國偉巴斯特車頂公司所壟斷。為了改變國外公司的技術(shù)封鎖和市場壟斷的現(xiàn)狀，增強(qiáng)國內(nèi)轎車主要零部件產(chǎn)品的自主研究開發(fā)能力及國內(nèi)轎車天窗公司的市場競爭，就必須采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)研發(fā)技術(shù)對轎車的天窗進(jìn)行開發(fā)研究。本文介紹的是利用一款汽車氣力式密封裝置對汽車進(jìn)行密封，并且根據(jù)汽車的不同時(shí)速對密封裝置進(jìn)行分析。

1 CFD方法描述

1.1 基本原理

計(jì)算流體力學(xué)（Computation Fluid Dynamics），簡稱CFD，計(jì)算機(jī)通過數(shù)值計(jì)算和顯示圖像，對含有流體/流動(dòng)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的的分析，CFD的基本原理可以總結(jié)為：把原來在時(shí)間域以及空間域的連續(xù)的物理量的場，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來代替，然后建立變量之間的關(guān)系的代數(shù)方程組——控制方程，求解后獲得場變量的近似值。[1]

1.2 控制方程

汽車車身氣動(dòng)性能的模擬隸屬求算汽車湍流流動(dòng)問題，Navier-Stokes方程是計(jì)算汽車表面流場流動(dòng)模擬的方程，它的微分形式是：

3.2 CFD分析具體參數(shù)設(shè)置

計(jì)算模型計(jì)算域各面的邊界條件如下：

（1）入口條件：入口邊界為速度入口（velocity-inlet），分別按照汽車速度30m/s、50m/s、70m/s、100m/s。

（2）出口邊界條件：出口邊界為壓力出口（pressure- outlet），出口表壓為0。

（3）固體邊界：車身表面為計(jì)算域墻面（wall）。

設(shè)置完之后的氣流運(yùn)行方向如下圖2所示。

3.3 求解器設(shè)置

本次模型采用的是Fluent求解器，空氣密度1.225kg/m3，空氣溫度為25℃，計(jì)算域的車頭方向?yàn)槿肟?，車尾方向?yàn)槌隹冢溆酁閴γ?，流場流速分別為30m/s，50m/s，70m/s，100m/s，邊界條件出口壓力值為0Pa，計(jì)算出的殘差變化曲線如下圖3所示。

4 CFD計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)過計(jì)算機(jī)計(jì)算，我們可以得到汽車分別在30m/s，50m/s，70m/s，100m/s時(shí)的汽車頂部的壓力云圖，繪制曲線如下表1所示。

其中，u、v、w表示的都是三維方向上的所在的速度矢量;

每個(gè)矢量下標(biāo)x、y、z各自表示的是對x、y、z的變量導(dǎo)數(shù)。

由于N-S方程的復(fù)雜性，以目前的計(jì)算機(jī)技術(shù)而言，全球范圍內(nèi)還不能得以實(shí)現(xiàn)，雷諾方程使用最為頻繁，這種計(jì)算方法重點(diǎn)在于湍流引起的平均流場變化時(shí)整體的效果。

2 CFD的分析過程

首先利用CATIA三維模型軟件對三維模型進(jìn)行建模，利用ANSYS Workbench中的DM打開三維模型，在劃分網(wǎng)格時(shí)，采用CFD的Physical Preference，求解器采用CFX對流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行求解，并計(jì)算進(jìn)行結(jié)果后處理。

FLUENT軟件對模型求解的具體步驟：

（1）在CATIA中建立汽車三維模型，在DM中導(dǎo)入模型。

（2）在Mech中確定幾何模型，選擇求解器CFX，生成計(jì)算網(wǎng)格。

（3）在Mech中設(shè)定邊界條件，入口input、出口output和邊界wall。

（4）在設(shè)置中設(shè)定流速、介質(zhì)等。

（5）求解以及結(jié)果后處理。

3 汽車氣動(dòng)性能的CFD模擬

3.1 汽車模型的建立和計(jì)算

本文研究的對象經(jīng)過模型簡化，在不改變整體流場的流動(dòng)軌跡的情況下，將研究的車輛的后視鏡等進(jìn)行簡化，具體分析車身在流場中的速度變化以及壓力顯示，經(jīng)過研究，將汽車模型的整體尺寸確定，長4500mm，寬2300mm，高1500mm。

首先將模型導(dǎo)入DM模塊，建立流場，尺寸為：長5000 mm，寬300mm，高2000mm。其中車頭所指的方向?yàn)檫M(jìn)口，車尾為出口，車身定義為墻面。

采用六邊形網(wǎng)格劃分，設(shè)置最小網(wǎng)格為20mm，劃分節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為249961，單元個(gè)數(shù)為1271127，進(jìn)行網(wǎng)格劃分如下圖1所示。

5 浮動(dòng)式汽車天窗氣力密封的總體結(jié)構(gòu)和工作原理以及靜力學(xué)分析

5.1 總體結(jié)構(gòu)

浮動(dòng)式汽車天窗氣力密封的總體結(jié)構(gòu)由玻璃、O型環(huán)狀密封圈、天窗壓力感應(yīng)器、導(dǎo)氣管、氣缸、出氣管組成。

5.2 工作原理

汽車在高速運(yùn)動(dòng)下，空氣對汽車天窗產(chǎn)生了不同的壓力，通過天窗壓力感應(yīng)器將數(shù)值傳遞給控制單元，控制單元經(jīng)過計(jì)算將所需的空氣量傳遞給氣缸，氣缸對O型環(huán)狀密封圈進(jìn)行充氣，將密封圈充滿后對天窗玻璃進(jìn)行密封，從而達(dá)到不同時(shí)速下都能實(shí)現(xiàn)氣力密封的效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 周玉成，李擎.汽車天窗密封條粘接新工藝研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)， 2019（13）：207-208.

[2] 陳衛(wèi)華，陶略，毛瑞杰，等.汽車天窗密封條自動(dòng)下料機(jī)設(shè)計(jì)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2018（07）：162-166.

[3] 郭婷婷.汽車天窗滾邊工藝仿真分析及實(shí)驗(yàn)研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2016.