某車型關(guān)門耳壓仿真分析方法研究

蘇瑞 李洪亮, 蘇麗俐 許增滿 陳玉明

（1.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300130；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300399）

1 前言

車門關(guān)閉時(shí)的壓耳感現(xiàn)象是由氣阻效應(yīng)產(chǎn)生的。在車門的關(guān)閉過程中車內(nèi)壓力增大，乘員出現(xiàn)明顯的頭暈和壓耳的感覺，嚴(yán)重影響乘坐舒適性，因此，研究車門在關(guān)閉過程中的車內(nèi)壓力和流場(chǎng)特性尤為重要。

車門關(guān)閉過程中產(chǎn)生的壓耳感與車內(nèi)氣體的壓縮及其流動(dòng)特性密切相關(guān)。林鳳和陳春俊[1]指出，車內(nèi)壓力波動(dòng)會(huì)影響人耳舒適度，從而引起乘員的不舒適感；張瑞[2]對(duì)車門關(guān)閉過程進(jìn)行了數(shù)值仿真，通過分析車門關(guān)閉時(shí)的流場(chǎng)研究了影響乘員人耳壓力的因素；陳楓[3]在模擬整車密封性的基礎(chǔ)上，仿真研究了車門關(guān)閉過程的流場(chǎng)特征和壓強(qiáng)變化，并從泄壓閥的角度分析降低車內(nèi)壓強(qiáng)的方法。Lee 和Hwang[4]采用簡(jiǎn)化模型模擬了車門在關(guān)閉過程中的動(dòng)態(tài)流場(chǎng)特性，并研究了車門關(guān)閉時(shí)人耳處的舒適性；Li 等人[5]使用Fluent 軟件的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)動(dòng)態(tài)模擬了車門關(guān)閉過程車內(nèi)壓強(qiáng)變化，并與實(shí)車測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果表明該模型具有較好的模擬精度。然而，以往的研究大多為定性模擬車門關(guān)閉時(shí)的車內(nèi)流場(chǎng)特性，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比的研究并不多見。

本文以實(shí)測(cè)得到的車門關(guān)閉速度作為仿真計(jì)算的初始條件，利用有限元軟件建立整車全比例模型，并結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件STAR-CCM+使用重疊網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行仿真分析，得到車門關(guān)閉過程中的流場(chǎng)速度和乘員的耳壓變化情況，分析原狀態(tài)、泄壓通道、空腔體積以及綜合考慮泄壓通道和空腔體積對(duì)關(guān)門耳壓仿真結(jié)果的影響。

2 耳壓與關(guān)門速度測(cè)試

為了獲得車門關(guān)閉過程中駕駛員和右后乘員實(shí)際感受到的耳壓，使用人工頭模擬乘坐人員，試驗(yàn)與仿真計(jì)算均基于車門1 擋位進(jìn)行（車門開度為35°左右），采取手動(dòng)關(guān)門方式。經(jīng)過部分學(xué)者的統(tǒng)計(jì)，合理的關(guān)門速度為0.8～1.3 m/s[6]，本文采用1.2 m/s 的關(guān)門速度（誤差±0.01 m/s）情況下指定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的關(guān)門耳壓作為該車型關(guān)門壓耳感水平的評(píng)價(jià)指標(biāo)，測(cè)量3次并取平均值以減小誤差。車輛關(guān)門速度曲線由關(guān)門速度測(cè)試儀獲得。

3 數(shù)值模擬

3.1 幾何模型

本文采用1∶1的全比例實(shí)車模型作為研究對(duì)象，尺寸為4 670 mm×1 805 mm×1 471 mm。該模型參照實(shí)車的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)，保留了車門、座椅及內(nèi)飾等主要結(jié)構(gòu)特征，保證該模型的主要結(jié)構(gòu)與實(shí)車一致。

計(jì)算采用重疊網(wǎng)格技術(shù)，整個(gè)流體域分為主域和從域兩部分。主域由半球體以及除車門外的整車模型組成，如圖1 所示。本文中汽車關(guān)門引起的氣體流速較小，因此主域采用半徑為8 m的半球形計(jì)算域。從域部分為車門，具體尺寸如圖2所示。

圖1 主域形狀及尺寸

圖2 從域形狀及尺寸

重疊網(wǎng)格[7]一般用于運(yùn)動(dòng)部件或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下2個(gè)或多個(gè)部件的問題分析。采用重疊網(wǎng)格技術(shù)計(jì)算車門在旋轉(zhuǎn)過程中乘員艙內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置壓力變化，采用多層加密的方法保證重疊網(wǎng)格周圍網(wǎng)格尺寸一致，同時(shí)，重疊網(wǎng)格的邊緣與車門外表面保持了一定的距離。

本文仿真計(jì)算采用多面體網(wǎng)格，多面體網(wǎng)格具有較快的收斂速度和較高的計(jì)算精度，可以較好地提高計(jì)算的準(zhǔn)確性，總體網(wǎng)格數(shù)量為3 500萬個(gè)左右。

3.2 邊界條件

本文模擬汽車在空曠地帶的關(guān)門情況，由于關(guān)門過程氣體流速較小，氣體屬性設(shè)為理想氣體，整個(gè)流體計(jì)算區(qū)域?yàn)榘霃綖? m的半球，除地面采用固定壁面邊界條件外，流體域內(nèi)其他面均采用靜壓為0的邊界條件。

3.3 物理模型

模型采用大渦模擬（Large Eddy Simulation，LES）[8]，不考慮溫度對(duì)結(jié)果的影響，計(jì)算量小于直接數(shù)值模擬（Direct Numerical Simulation，DNS）[9]。

濾波后不可壓縮的紊流運(yùn)動(dòng)控制方程為納維-斯托克斯（Navier-Stokes，N-S）方程：

式中，Sij=(?ui/?xj+?uj/?xi)/2為拉伸率張量；τij為亞格子應(yīng)力；γ為運(yùn)動(dòng)學(xué)粘性系數(shù)；ρ為流體密度；ui、uj和p分別為濾波后的速度分量和壓力；xi、xj分別為節(jié)點(diǎn)i、j處的參量；t為時(shí)間。

亞格子應(yīng)力采用Smagorinsky模型[10]求解：

式中，γT=(CsΔ)2(2SijSij)1/2為亞格子粘渦系數(shù)；Δ為過濾尺度；Cs為Smagorinsky 系數(shù)，取Cs=0.28；τkk為中i=j時(shí)τij的取值；δij為克羅內(nèi)克符號(hào)，當(dāng)i=j時(shí)，δij=1，否則δij=0。

3.4 壓耳感仿真

關(guān)門壓耳感仿真主要針對(duì)4種模型狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算：

a.原狀態(tài)，為了縮短建模時(shí)間，在不影響計(jì)算精度的前提下，在該車型原有數(shù)模的基礎(chǔ)上忽略聲學(xué)包、線路、電器件以及對(duì)汽車內(nèi)流場(chǎng)影響較小的特征結(jié)構(gòu)；

b.優(yōu)化氣流通道，改善氣流通道使其與實(shí)車一致；

c.考慮空腔體積，行李箱兩側(cè)吸音棉、輪包處等聲學(xué)包及備胎艙泡沫使氣體流經(jīng)的空腔體積減?。?/p>

d.在優(yōu)化氣流通道的同時(shí)考慮空腔體積，使模型與實(shí)車更接近。

4 結(jié)果和討論

4.1 耳壓和關(guān)門速度

基于某現(xiàn)產(chǎn)車型測(cè)量2 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的耳壓和關(guān)門速度，結(jié)果如圖3所示。由圖3a可以看出，關(guān)門過程中，駕駛員左耳耳壓在第0.865 s達(dá)到峰值227.4 Pa，右后乘員左耳耳壓在第0.868 s達(dá)到峰值235.6 Pa，右后乘員的耳壓峰值相較于駕駛員耳壓峰值出現(xiàn)的時(shí)間滯后約3 ms，并且峰值略高，這可能與關(guān)門過程中乘員艙內(nèi)的氣體流動(dòng)特性有關(guān)。由圖3b可以看出，關(guān)門速度先增大，然后趨于平穩(wěn)，在車門將要閉合時(shí)，速度迅速減小，這是由于車門將要關(guān)閉時(shí)受到氣阻效應(yīng)、密封條等的影響[2]。

圖3 耳壓和關(guān)門速度測(cè)試結(jié)果

4.2 速度云圖

仿真計(jì)算將試驗(yàn)測(cè)得的該車型關(guān)門速度曲線作為輸入，得到了如圖4 所示的車門關(guān)閉過程速度云圖。

圖4 不同時(shí)刻的氣流速度云圖及車門位置

從圖4 中可以看出：隨著車門的關(guān)閉，車門附近的空氣流動(dòng)速度逐漸提高；另外，在第0～0.5 s，很少有氣體被擠壓進(jìn)乘員艙，因此，在該時(shí)間段，車內(nèi)人耳處的耳壓變化不大，而在第0.8 s后，越來越多的空氣被擠入乘員艙，并急劇從車后的泄壓閥排出，造成車內(nèi)空氣被迅速擠壓，并導(dǎo)致壓力急劇上升；在第1.2 s 左右，隨著車內(nèi)氣體被逐漸排出，空氣流動(dòng)逐漸恢復(fù)平穩(wěn)。

4.3 壓耳感仿真

仿真主要針對(duì)原狀態(tài)、優(yōu)化氣流通道、改變空腔體積及綜合考慮兩者共4種狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖5所示。

4.3.1 原狀態(tài)模型

峰值耳壓對(duì)乘員的舒適度有較大影響[2]，因此，重點(diǎn)關(guān)注關(guān)門過程中乘員的峰值耳壓。由圖5可知，原狀態(tài)模型在關(guān)門過程中，乘員耳壓在車門關(guān)閉瞬間會(huì)急劇增加到峰值而后穩(wěn)定衰減，這與實(shí)際情況和推測(cè)結(jié)果相符。

圖5 4種情況下的模擬值

4.3.2 優(yōu)化實(shí)車氣流通道

在原有幾何模型基礎(chǔ)上優(yōu)化實(shí)車氣流通道，關(guān)閉模型中后排座椅與衣帽架的間隙，使模型與實(shí)車結(jié)構(gòu)更接近。由圖5可知，優(yōu)化后乘員耳壓變化趨勢(shì)與原狀態(tài)相比變化不大，而駕駛員和右后乘員左耳峰值耳壓均提高。

對(duì)比仿真計(jì)算模型，驗(yàn)證后排座椅處氣流通道有無對(duì)關(guān)門過程乘員艙內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力的變化趨勢(shì)是否與仿真計(jì)算結(jié)果一致。將實(shí)車后排座椅向前調(diào)整一定距離，使其與衣帽架間的距離達(dá)到12 mm，如圖6所示。

圖6 后排座椅與衣帽架間隙

測(cè)試結(jié)果如圖7 所示，后座椅與衣帽架間有、無間隙狀態(tài)的峰值壓力相近，仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果相吻合。

圖7 原狀態(tài)實(shí)測(cè)與優(yōu)化通道實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

優(yōu)化實(shí)車氣流通道后，乘員峰值耳壓與原狀態(tài)相比有所增加，這是因?yàn)槠囋谏a(chǎn)過程中難免由于加工工藝、裝配精度和材料屬性等問題導(dǎo)致實(shí)車與數(shù)模的氣流通道不完全一致[10]。本文研究過程中發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)車輛受裝配精度影響及衣帽架表面毛氈材料致使該處泄壓通道被堵塞，這使得泄壓通道更復(fù)雜，峰值耳壓更大。

4.3.3 空腔體積對(duì)耳壓的影響

在原有幾何模型的基礎(chǔ)上，考慮空腔體積后，再對(duì)乘員的耳壓變化進(jìn)行仿真，由圖5 可知，乘員耳壓的變化趨勢(shì)與上述情況相似，但是駕駛員和右后乘員左耳峰值耳壓進(jìn)一步提高。

對(duì)比仿真計(jì)算模型，如圖8a所示，驗(yàn)證備胎艙周圍泡沫結(jié)構(gòu)的有無對(duì)關(guān)門過程乘員艙內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力的變化趨勢(shì)是否與仿真計(jì)算結(jié)果一致。如圖8b 所示，去掉泡沫結(jié)構(gòu)后關(guān)門過程中乘員艙內(nèi)氣流更順暢地經(jīng)泄壓閥排出。

圖8 聲學(xué)包及泡沫結(jié)構(gòu)

測(cè)試結(jié)果如圖9所示，仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果相吻合。

圖9 原狀態(tài)實(shí)測(cè)與改變空腔體積實(shí)測(cè)對(duì)比

在考慮空腔體積變化后，與原狀態(tài)相比，峰值耳壓也有所提高，這是由于建模過程中為了簡(jiǎn)化模型，忽略了如圖8 所示的輪包、吸音棉及備胎艙周圍泡沫等結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)雖不影響泄壓通道面積，但是占據(jù)了氣體流經(jīng)的空腔體積，在一定程度上阻礙氣流排出，不利于泄壓，使計(jì)算值偏低。

4.3.4 綜合考慮氣流通道和空腔體積對(duì)耳壓的影響

從上述分析結(jié)果中可以看出，仿真計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的壓力變化趨勢(shì)相一致，并且汽車在后排座椅處的氣流泄壓通道與空腔體積均對(duì)關(guān)門壓耳感有較大影響，考慮到改變實(shí)車后排座椅處氣流通道及空腔體積后，峰值耳壓可能會(huì)進(jìn)一步提高，因此，在優(yōu)化氣流通道的同時(shí)考慮空腔體積變化，再對(duì)關(guān)門過程進(jìn)行仿真計(jì)算。

由圖5可知，乘員耳壓的變化趨勢(shì)與上述所有情況均相似，但是駕駛員和右后乘員左耳峰值耳壓進(jìn)一步提高。綜合考慮兩種情況的結(jié)果說明：汽車的氣流泄壓通道與空腔體積對(duì)關(guān)門耳壓都有不可忽略的影響，同時(shí)考慮兩者的作用也會(huì)使乘員耳壓進(jìn)一步提升。

4.4 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為保證仿真計(jì)算方法的精度，確定該仿真方法與實(shí)際結(jié)果的誤差，將上述4種仿真結(jié)果與實(shí)車原狀態(tài)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比

結(jié)果顯示：仿真結(jié)果的耳壓變化趨勢(shì)與實(shí)際結(jié)果比較吻合，均在一定時(shí)刻急劇增加到峰值而后穩(wěn)定衰減；另外，仿真結(jié)果均比實(shí)際結(jié)果低，這可能是由于仿真沒有完全考慮到車內(nèi)所有零件、布置等因素對(duì)車內(nèi)氣流的影響；所有仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差如表1所示，優(yōu)化氣流通道、考慮空腔體積和綜合兩者的計(jì)算結(jié)果均比原狀態(tài)與更接近實(shí)測(cè)結(jié)果，其中，綜合兩者的結(jié)果與實(shí)際情況最為接近，仿真精度可以控制在90%以上。

表1 試驗(yàn)和仿真的監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值耳壓誤差對(duì)比 %

由對(duì)比結(jié)果可知：4種仿真方法與實(shí)際測(cè)量結(jié)果的乘員耳壓變化趨勢(shì)相似，與原狀態(tài)相比，單獨(dú)優(yōu)化泄壓通道和考慮空腔體積都可以較好地優(yōu)化仿真精度，而綜合考慮兩者則可以進(jìn)一步提高仿真精度，使其控制在90%以上，因此，盡管4種仿真計(jì)算情況都存在一定的誤差，但仍可以在一定程度上為優(yōu)化車門關(guān)閉過程中的人耳舒適度提供參考。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了一種關(guān)門耳壓的仿真計(jì)算方法，基于某現(xiàn)產(chǎn)車型的三維數(shù)模，進(jìn)行了關(guān)門耳壓的仿真計(jì)算。仿真過程針對(duì)原狀態(tài)、優(yōu)化氣流通道、考慮空腔體積以及綜合優(yōu)化氣流通道和考慮空腔體積的4 種方案進(jìn)行計(jì)算，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。經(jīng)計(jì)算，4 種仿真方案與實(shí)際測(cè)量的乘員耳壓變化趨勢(shì)相似，車內(nèi)氣流泄壓通道、空腔體積對(duì)關(guān)門耳壓均有影響。與原狀態(tài)相比，兩者均可提高仿真精度，而綜合考慮兩者則與試驗(yàn)結(jié)果具有更好的一致性，其仿真精度可達(dá)90%以上，4種方案都可以為汽車關(guān)門耳壓計(jì)算和優(yōu)化提供一定的參考。