車門開度對(duì)關(guān)門時(shí)車內(nèi)人耳位置峰值壓力的影響

蘇瑞，李晶，于潮，張賀林

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300399）

1 前言

關(guān)門耳壓感是目前車型普遍存在的問(wèn)題。車門關(guān)閉時(shí)大量氣體被車門卷入乘員艙內(nèi)，受汽車本身泄壓通道布置及泄壓面積的限制，卷入的氣體不能及時(shí)排出車外，導(dǎo)致車內(nèi)壓力增大[1]。關(guān)門壓耳感問(wèn)題的分析過(guò)程為瞬態(tài)分析，需要占用大量的計(jì)算資源，如果能夠在現(xiàn)有仿真分析方法基礎(chǔ)上以較小的車門開度作為主要分析的狀態(tài)可以大大提高研究進(jìn)度，同時(shí)也在一定程度上簡(jiǎn)化測(cè)試步驟，提高工作效率。

當(dāng)前，已有關(guān)門耳壓優(yōu)化的工程應(yīng)用實(shí)例，但是進(jìn)一步研究關(guān)門耳壓的影響因素，進(jìn)而提高優(yōu)化效率，縮短項(xiàng)目周期是十分有必要的。Hyung-il[2]根據(jù)實(shí)際車輛的幾何數(shù)據(jù)、物理數(shù)據(jù)和車門關(guān)門虛擬反作用力與車門關(guān)閉時(shí)間數(shù)據(jù)建立了車門關(guān)門過(guò)程的數(shù)值模型來(lái)預(yù)測(cè)最小關(guān)門速度。于劍澤等[3]利用 CFD 軟件建立汽車模型進(jìn)行考慮氣壓阻效應(yīng)的車門關(guān)閉力仿真分析，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果找到一種能準(zhǔn)確求解車門關(guān)閉氣壓阻效應(yīng)的新方法；Li等[4]以重型卡車作為研究對(duì)象得到了車艙內(nèi)壓力隨時(shí)間的變化，并指出采用降低關(guān)門速度和增大泄壓孔的方法可以有效降低汽車內(nèi)部壓力；李超帥等[5]通過(guò)能量轉(zhuǎn)化的理論分析，針對(duì)汽車尾門提出了一種通過(guò)可測(cè)試量求解不可測(cè)試量的氣壓阻效應(yīng)耗能計(jì)算方法；陳楓[6]研究了車門關(guān)閉過(guò)程的流場(chǎng)特征和壓強(qiáng)變化，并研究不同泄壓能力的泄壓閥對(duì)關(guān)門耳壓的影響。研究表明，人體聽覺(jué)器官由外耳、中耳和內(nèi)耳三部分組成[7]，其中中耳主要負(fù)責(zé)感知外界氣壓變化。當(dāng)壓力值超過(guò)400-670Pa時(shí)，鼓膜產(chǎn)生脹感，人耳承受的最大負(fù)壓為 23kPa，當(dāng)超過(guò)這一值時(shí)鼓膜可能穿孔[8]。通常車門關(guān)閉引起的車內(nèi)壓力變化介于100-500Pa之間，壓力雖遠(yuǎn)小于人耳可承受最大壓力，但也超出了人耳舒適型范圍。因此，盡快解決壓耳感問(wèn)題是十分有必要的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，正常關(guān)門速度在0.8m/s-1.3m/s范圍內(nèi)，但是針對(duì)關(guān)門耳壓研究的車門開度沒(méi)有做出具體的要求。

本研究采用 Star-ccm+軟件的重疊網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)車門的旋轉(zhuǎn)，通過(guò)有限元建模得到1:1的全尺寸網(wǎng)格模型。通過(guò)仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究不同車門開度對(duì)關(guān)門時(shí)車內(nèi)峰值壓力的影響，為以后的研究?jī)?yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

2 仿真計(jì)算

2.1 網(wǎng)格模型

為了仿真計(jì)算的有效性，本次研究以實(shí)車數(shù)模為基礎(chǔ)建立1:1模型。保留原車氣流通道分布及各個(gè)通道過(guò)孔面積，并且忽略動(dòng)力總成、傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及儀表盤等對(duì)車內(nèi)壓力影響較小的因素，對(duì)車門內(nèi)飾和泄壓通道等結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化處理，保證仿真的精度。

模型主要分為兩個(gè)部分，主域?yàn)橹睆? m的半球體與車身內(nèi)飾、外CAS間圍成的區(qū)域，如圖1所示；從域?yàn)檐囬T周圍長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)圍所成的區(qū)域，如圖2所示。

圖1 主域形狀及尺寸

主域要求半球體外殼不影響計(jì)算域內(nèi)流體流動(dòng)，模擬空曠的測(cè)試環(huán)境，網(wǎng)格尺寸在5mm-200mm范圍內(nèi)；從域要求長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)與車門外表面保持一定距離（大于 4個(gè)網(wǎng)格尺寸），網(wǎng)格尺寸在1mm-20mm范圍內(nèi)。

圖2 從域形狀及尺寸

重疊網(wǎng)格一般用于運(yùn)動(dòng)部件的或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同的兩個(gè)或多個(gè)部件的問(wèn)題分析。本研究采用重疊網(wǎng)格技術(shù)主要實(shí)現(xiàn)車門的旋轉(zhuǎn)以及車門旋轉(zhuǎn)過(guò)程中主域與從域之間的信息傳遞。重疊網(wǎng)格需多層加密，如圖3所示：

圖3 重疊網(wǎng)格

2.2 湍流模型

仿真采用大渦模擬Large Eddy Simulation（LES）[9]，不考慮溫度對(duì)結(jié)果的影響，在計(jì)算過(guò)程中把湍流瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)量通過(guò)濾波方法分成大尺度運(yùn)動(dòng)（大渦）和小尺度運(yùn)動(dòng)（小渦），大尺度運(yùn)動(dòng)通過(guò)微分方程直接計(jì)算，小尺度運(yùn)動(dòng)對(duì)大尺度運(yùn)動(dòng)的影響通過(guò)亞格子雷諾應(yīng)力表征。該模擬方法可以描述小尺度湍流流動(dòng)，但是計(jì)算量小于 DNS[10]（Direct Numerical Simulation）。濾波后不可壓縮的紊流運(yùn)動(dòng)控制方程為Navier-Stokes（N-S）方程：

亞格子應(yīng)力采用Smagorinsky模型[63]求解，其表達(dá)式如下：

其中亞格子粘渦系數(shù)γT可以表示為：

式中：Δ是過(guò)濾尺度；Cs是無(wú)綱常量，稱為Smagorinsky系數(shù)，取0.28。大渦模擬收斂性好，在網(wǎng)格數(shù)量較多的情況優(yōu)先考慮。

2.3 速度輸入

當(dāng)前，關(guān)門耳壓相關(guān)研究采用的關(guān)門速度大多為 1.2±0.01m/s。本研究針對(duì)車門一檔位（35°）和最大開度（70°）兩種狀態(tài)進(jìn)行仿真分析。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試得到不同開度的瞬時(shí)關(guān)門速度，如圖4所示：

圖4 不同開度關(guān)門瞬時(shí)速度

兩種狀態(tài)的關(guān)門速度均為1.2m/s，并且在關(guān)門瞬間兩條曲線的速度衰減率基本一致。其中，一檔位的關(guān)門速度曲線受收限位器檔位的影響，未出現(xiàn)中間的波動(dòng)。

2.4 壓耳感仿真

仿真計(jì)算以駕駛員左耳和右后乘員左耳位置為壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖5所示。仿真模擬真實(shí)的測(cè)試環(huán)境，研究表明，受手車內(nèi)氣流流動(dòng)特性影響，關(guān)左前門時(shí)駕駛員左耳和右后乘員左耳感受到的壓耳感最明顯。選定壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)后，導(dǎo)入速度曲線，分別計(jì)算車門開度一檔位與最大開度兩種狀態(tài)的關(guān)門耳壓。瞬時(shí)速度的采樣頻率為1kHz，仿真計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為2ms，充分保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖5 壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)

2.5 仿真結(jié)果

車門一檔位位置以1.2m/s的速度關(guān)閉時(shí)駕駛員左耳耳壓為172.3Pa；右后乘員左耳耳壓169.7Pa。監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力變化曲線如圖6所示：

圖6 車門一檔位監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力變化

由圖可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力在0.8s左右達(dá)到峰值。在關(guān)門過(guò)程中，乘員耳壓在車門關(guān)閉瞬間會(huì)急劇增加至峰值而后穩(wěn)定衰減，這與實(shí)際和推測(cè)結(jié)果相符，并且駕駛員位置耳壓較右后位置先達(dá)到峰值，這與關(guān)門過(guò)程車內(nèi)流場(chǎng)特性有關(guān)。

車門最大開度位置以1.2m/s的速度關(guān)閉時(shí)駕駛員左耳耳壓為173.4Pa；右后乘員左耳耳壓171.5Pa。監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力變化曲線如圖7所示：

圖7 車門最大開度位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力變化

由圖可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力在 1.25s左右達(dá)到峰值。由于較大開度，車門由初始位置至完全關(guān)閉的過(guò)程所需時(shí)間更長(zhǎng)，但壓力變化趨勢(shì)與車門開度一檔位時(shí)變化一致。

對(duì)比不同車門開度的仿真結(jié)果，駕駛員左耳耳壓相差1.1Pa，誤差為0.6%；右后位置左耳耳壓相差1.8Pa，誤差為1.1%。計(jì)算結(jié)果顯示關(guān)門速度相同時(shí)，車門開度對(duì)關(guān)門時(shí)車內(nèi)峰值壓力幾乎沒(méi)有影響。

3 試驗(yàn)測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)該車型進(jìn)行車門開度一檔位和最大檔位關(guān)門耳壓測(cè)試。關(guān)門耳壓測(cè)試過(guò)程可以采集瞬時(shí)關(guān)門速度也可監(jiān)測(cè)車內(nèi)壓力變化，每組測(cè)試結(jié)果與車門轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)。試驗(yàn)測(cè)試針對(duì)車門關(guān)門速度為1.2m/s的工況進(jìn)行測(cè)試。關(guān)門速度大小的定義取決于車門經(jīng)過(guò)速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)的瞬時(shí)速度，如果測(cè)試過(guò)程中車門轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度為1.2m/s。那么測(cè)試得到的峰值壓力為1.2m/s速度下的關(guān)門耳壓。

3.1 耳壓監(jiān)測(cè)設(shè)備

試驗(yàn)測(cè)試車型與仿真數(shù)模中車型一致，采用專用的耳壓測(cè)試設(shè)備人工頭（最大量程±500Pa，測(cè)量精度 0.1Pa，采樣間隔為5ms），如圖8所示：

圖8 耳壓測(cè)試設(shè)備及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

3.2 試驗(yàn)步驟

（1）測(cè)試車輛準(zhǔn)備。將測(cè)試車輛停放在水平、寬敞的空間，不影響車門正常開閉，環(huán)境溫度在25℃左右。

（2）檢查車輛狀態(tài)。測(cè)試前確保車窗及車輛除測(cè)試車門外的其他車門處于關(guān)閉狀態(tài)；車內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)調(diào)至內(nèi)循環(huán)；清理車內(nèi)雜物；確保座椅調(diào)節(jié)到正常乘坐位置，以減小測(cè)量誤差。

（3）測(cè)試設(shè)備準(zhǔn)備。將關(guān)門速度測(cè)試儀關(guān)門能量測(cè)試儀布置，測(cè)量車門的旋轉(zhuǎn)半徑與速度半徑。將關(guān)門耳壓測(cè)試設(shè)備固定在駕駛員及右后乘員位置，監(jiān)測(cè)相應(yīng)位置的壓力變化。在進(jìn)行關(guān)門耳壓測(cè)試前還進(jìn)行了試關(guān)門，確保關(guān)門過(guò)程無(wú)其他外界影響因素，避免對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生干擾。

（4）測(cè)試。測(cè)試前將車門打開至限位器一檔位位置和最大檔位，每種狀態(tài)測(cè)量三次并取平均值。

（5）設(shè)備整理。實(shí)驗(yàn)測(cè)試完畢，將不同測(cè)試設(shè)備分別整理完畢放歸原位。測(cè)試車輛停放至停車位。

（6）數(shù)據(jù)整理。關(guān)門耳壓測(cè)試采用手動(dòng)關(guān)門方式，手動(dòng)關(guān)門時(shí)關(guān)門速度大小具有隨機(jī)性，因此需要從每組數(shù)據(jù)中篩選出所需數(shù)據(jù)。

4 結(jié)果對(duì)比

4.1 耳壓測(cè)試值

經(jīng)測(cè)試，車門處于一檔位時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力分別為駕駛員耳壓167.7Pa，右后左耳耳壓171.6Pa；車門處于最大檔位時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力分別為駕駛員耳壓170.5Pa，右后左耳耳壓175.3Pa，車門開度不同對(duì)關(guān)門時(shí)駕駛員位置峰值壓力差為2.8Pa；右后位置峰值壓力差為3.7Pa，測(cè)試結(jié)果顯示車門開度對(duì)關(guān)門時(shí)車內(nèi)峰值壓力幾乎沒(méi)有影響。

4.2 仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

通過(guò)仿真計(jì)算結(jié)果可知不同車門開度下測(cè)得的監(jiān)測(cè)點(diǎn)峰值壓力基本一致。為進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性，將仿真結(jié)果與同狀態(tài)下的測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比。車門處于一檔位的結(jié)果對(duì)比如圖9所示：

圖9 車門一檔位位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力對(duì)比圖

對(duì)比結(jié)果顯示，仿真結(jié)果與測(cè)試得到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力變化趨勢(shì)基本一致。當(dāng)車門處于一檔位時(shí)駕駛員位置壓力的計(jì)算值與測(cè)試值相差4.6Pa；右后位置壓力的計(jì)算值與測(cè)試值相差1.9Pa，誤差均在3%以內(nèi)，結(jié)果一致性較好。

車門處于最大檔位的結(jié)果對(duì)比如圖10所示：

圖10 車門最大開度位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力對(duì)比圖

對(duì)比結(jié)果顯示，仿真與測(cè)試結(jié)果壓力變化趨勢(shì)基本一致，1.25s左右壓力達(dá)到峰值。當(dāng)車門處于最大開度時(shí)駕駛員位置壓力的計(jì)算值與測(cè)試值相差2.9Pa；右后位置壓力的計(jì)算值與測(cè)試值相差3.8Pa，誤差均在3%以內(nèi)，結(jié)果一致性較好。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于現(xiàn)有關(guān)門耳壓研究方法探究車門開度對(duì)關(guān)門時(shí)車內(nèi)峰值壓力的影響。研究過(guò)程針對(duì)車門在一檔位和最大檔位時(shí)以1.2m/s的關(guān)門速度關(guān)門的工況，并與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果顯示相同關(guān)門速度，同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的峰值耳壓與車門開度無(wú)關(guān)。車門開度35°和70°得到的車內(nèi)壓力基本相同，誤差在 3%以內(nèi)。并且仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果一致性較好。因此，在以后的研究過(guò)程中可以以車門一檔位位置作為主要研究狀態(tài)，同時(shí)也可以為汽車關(guān)門耳壓計(jì)算和優(yōu)化提供一定的參考。