汽車小天窗風(fēng)振研究及優(yōu)化

侯宇丹 侯兆平

摘? 要：為了得到滿足用戶感知要求的汽車小天窗風(fēng)振效果，針對(duì)當(dāng)前SUV現(xiàn)有小天窗擋風(fēng)條結(jié)構(gòu)，開(kāi)展基于PowerFLOW的汽車天窗風(fēng)振噪聲仿真分析，得到特定車速下的流場(chǎng)數(shù)據(jù)和駕駛員耳旁聲壓數(shù)據(jù)。在原車型仿真結(jié)果基礎(chǔ)上對(duì)擋風(fēng)條結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，按影響參數(shù)采用正交實(shí)驗(yàn)分析，進(jìn)行各設(shè)計(jì)方案的仿真、實(shí)車對(duì)比研究。數(shù)值仿真、實(shí)車測(cè)試、主觀感知得到的結(jié)果在整體趨勢(shì)上一致，數(shù)值仿真結(jié)果顯示最佳優(yōu)化方案聲壓級(jí)在峰值頻率點(diǎn)下降17.8dB（A）；路試結(jié)果顯示，該方案聲壓級(jí)最大降低21.9dB（A），主觀感知不到風(fēng)振，表明了優(yōu)化方案的有效性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)振；正交設(shè)計(jì)；聲壓級(jí)；數(shù)值仿真；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U467.4+93? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2023）02-0034-05

Study and Optimization on Wind Vibration of Small Skylight

HOU Yu-dan1? ，HOU Zhao-ping2

（1. Jilin University，Changchun 130026， China；2.Saic-gm-wuling Automobile Co.， LTD，Liuzhou 545007， China）

Abstract： In order to obtain the wind vibration effect of a small automobile sunroof that meets the users perception requirements， the wind vibration noise simulation analysis of the automobile sunroof based on PowerFLOW was carried out according to the existing small sunroof windscreen structure of the vehicle， and the flow field data and the sound pressure data near the drivers ear at a specific speed were obtained.On the basis of the simulation results of the original model， the optimal design of the windshield plate structure is carried out. According to the influence parameters， the orthogonal experimental analysis is used to carry out the simulation of each design scheme and the comparison study of the real vehicle.The results obtained by numerical simulation， real vehicle test and subjective perception are consistent in the overall trend， and the numerical simulation results show that the sound pressure of the best optimization scheme decreases by 17.8 dBA at the peak frequency point.The road test results show that the maximum sound pressure level of the proposed scheme is reduced by 21.9 dBA， and the wind vibration is not perceived subjectively， indicating the effectiveness of the optimized scheme.

Key Word： Wind Vibration; Orthogonal Design; Sound Pressure Level; Numerical Simulation; Optimal Design

侯宇丹

畢業(yè)于吉林大學(xué)2020級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)本科，獲2021-2022學(xué)年國(guó)家獎(jiǎng)學(xué)金，第十三屆全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)競(jìng)賽一等獎(jiǎng)。

1? ? 前言

近年來(lái)，隨著汽車尤其新能源汽車越來(lái)越普及，用戶對(duì)汽車使用舒適度的要求越來(lái)越高。NVH體驗(yàn)受到用戶普遍關(guān)注，氣動(dòng)噪聲對(duì)駕駛員及乘客造成的困擾表現(xiàn)較為突出，其中天窗風(fēng)振噪聲不斷得到行業(yè)重視、研究、解決。

汽車小天窗風(fēng)振現(xiàn)象表現(xiàn)為汽車低速行駛時(shí)，保持天窗全開(kāi)，當(dāng)車輛起步緩加速至20km/h～50km/h區(qū)間，會(huì)產(chǎn)生頻率18Hz左右，聲壓級(jí)50dB（A）以上的壓力脈動(dòng)，有特別強(qiáng)烈的壓耳感，嚴(yán)重影響乘客艙內(nèi)的舒適性能。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)天窗風(fēng)振現(xiàn)象的研究大都是基于仿真、風(fēng)洞試驗(yàn)加實(shí)車驗(yàn)證的方式進(jìn)行，尚雷[1]、古正氣[2]等通過(guò)仿真分析的手段提出了降低風(fēng)振方案，楊振東[3]、黃磊[4]等則從風(fēng)洞試驗(yàn)的角度驗(yàn)證了風(fēng)振優(yōu)化方案，黃麗那[5]從道路試驗(yàn)的角度開(kāi)展了風(fēng)振噪聲研究。仿真應(yīng)用有不同的流體分析軟件做支撐，風(fēng)洞試驗(yàn)成本較高，實(shí)車驗(yàn)證相對(duì)簡(jiǎn)便易行且更接近用戶體驗(yàn)。行業(yè)內(nèi)尚無(wú)明確的標(biāo)準(zhǔn)限定風(fēng)振現(xiàn)象的分析及控制方法。

本文根據(jù)公司現(xiàn)有條件，采用基于Power FLOW的汽車天窗風(fēng)振噪聲仿真分析，同時(shí)考慮到改變天窗尺寸對(duì)車內(nèi)噪聲改變較大，但其對(duì)開(kāi)發(fā)成本、進(jìn)度影響顯著。故在不考慮改變天窗尺寸前提下對(duì)擋風(fēng)條進(jìn)行研究改進(jìn)以改善風(fēng)振效果。根據(jù)仿真分析結(jié)果，針對(duì)小天窗擋風(fēng)條當(dāng)前結(jié)構(gòu)參數(shù)，應(yīng)用六西格瑪方法，開(kāi)展質(zhì)量屋分析，正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，再針對(duì)不同設(shè)計(jì)方案開(kāi)展仿真分析，制作快速樣件路試驗(yàn)證，結(jié)合仿真、道路測(cè)試、主觀評(píng)價(jià)，得到滿意的優(yōu)化方案。

2? ? 小天窗風(fēng)振噪聲現(xiàn)狀分析

2.1? ?仿真分析

在數(shù)模階段進(jìn)行小天窗風(fēng)振噪聲性能仿真分析，可對(duì)設(shè)計(jì)狀態(tài)聲學(xué)性能水平進(jìn)行有效評(píng)估，對(duì)可能存在的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并及時(shí)做出有效的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。有限元分析依次分為前處理、求解和后處理三個(gè)步驟。要求采用的軟件分別為前處理軟件ANSA、PowerDELTA，求解軟件PowerCASE、PowerFLOW和后處理軟件PowerACOUSTICS、PowerVIZ。

基于上述方法針對(duì)當(dāng)前SUV車型進(jìn)行仿真分析，在（30/35/40）km/h三個(gè)典型切片條件下（15-20）Hz區(qū)域存在峰值及對(duì)應(yīng)渦流，試車反映為特定工況車內(nèi)聲腔共振、壓耳膜，即風(fēng)振現(xiàn)象，見(jiàn)下圖1車內(nèi)噪聲仿真分析，取典型車速35km/h：

2.2? ?實(shí)車分析

當(dāng)前SUV在典型車速35km/h狀態(tài)下，采集駕駛員內(nèi)耳麥克風(fēng)處數(shù)據(jù)，在（15-20）Hz處存在明顯的風(fēng)振現(xiàn)象，見(jiàn)下圖2車內(nèi)噪聲測(cè)試瀑布圖：

當(dāng)前SUV在典型車速35km/h狀態(tài)下（15-20）Hz處存在明顯的聲壓級(jí)峰值，見(jiàn)下圖3車內(nèi)噪聲測(cè)試頻譜圖：

實(shí)車測(cè)試反映的數(shù)據(jù)趨勢(shì)與仿真一致，且與主觀感知狀態(tài)吻合。

3? ? 擋風(fēng)條參數(shù)優(yōu)化方案設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

3.1? ?當(dāng)前擋風(fēng)條設(shè)計(jì)狀態(tài)

基于六西格瑪質(zhì)量屋及普氏分析，不考慮變更天窗尺寸前提下，擋風(fēng)條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是風(fēng)振最為敏感項(xiàng)，包括天窗擋風(fēng)條高度（相對(duì)白車身）、天窗擋風(fēng)條角度（迎風(fēng)面與X向夾角）、天窗擋風(fēng)條導(dǎo)流槽數(shù)量/寬度/深度設(shè)計(jì)等，當(dāng)前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4示：

當(dāng)前擋風(fēng)條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)表如表1：

3.2? ?擋風(fēng)條優(yōu)化設(shè)計(jì)方案分析及驗(yàn)證

基于仿真驗(yàn)證的總結(jié)及結(jié)構(gòu)布局的可行性，設(shè)定優(yōu)化設(shè)計(jì)的參數(shù)如下表2：

噪聲因子反映在車速偏差方面，取車速N1=35km/h，N2=40km/h，代表風(fēng)振合理偏差敏感工況，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展5因子2水平正交設(shè)計(jì)，計(jì)算駕駛員內(nèi)耳聲壓級(jí)，單位dB（A），對(duì)應(yīng)仿真計(jì)算結(jié)果如下表3：

為了驗(yàn)證仿真分析與實(shí)車測(cè)試的一致性，特制作3D快速樣件，輔助以油泥模型及彈簧角度調(diào)整的方法，開(kāi)展實(shí)車測(cè)試工作，具體方案如下圖5：

實(shí)車測(cè)試的信息如下表4所示，對(duì)應(yīng)結(jié)果為不同噪聲因子駕駛員內(nèi)耳聲壓級(jí)dB（A）。

針對(duì)風(fēng)振現(xiàn)象的主觀評(píng)價(jià)方法如下表5所示。

針對(duì)風(fēng)振現(xiàn)象的主觀評(píng)價(jià)結(jié)果如下表6所示。主觀評(píng)價(jià)分值計(jì)算方法：5名評(píng)價(jià)人員對(duì)不同方案風(fēng)振效果分別打分，計(jì)算均值，作為各方案主觀評(píng)價(jià)最終得分。

4? ? 試驗(yàn)對(duì)比分析

針對(duì)優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)后的擋風(fēng)條， 結(jié)合仿真、測(cè)試、主觀評(píng)估的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)比分析見(jiàn)下表7：

分析結(jié)果顯示，方案1為最佳方案，仿真、測(cè)試、主觀評(píng)價(jià)高度統(tǒng)一，方案一對(duì)應(yīng)仿真分析結(jié)果與原車比較如下圖6所示。

方案1對(duì)應(yīng)實(shí)車測(cè)試結(jié)果與原車比較如下圖7所示：

結(jié)? ? 論

a.當(dāng)前SUV車型小天窗風(fēng)振問(wèn)題最佳優(yōu)化方案為方案1，該方案擋風(fēng)條高度、角度不變，僅對(duì)導(dǎo)流槽數(shù)量、寬度、深度進(jìn)行優(yōu)化，不影響整車外觀美觀。具體優(yōu)化參數(shù)見(jiàn)表8：

b.當(dāng)前售前、售后都有小天窗風(fēng)振相關(guān)訴求的反饋，通過(guò)對(duì)汽車小天窗風(fēng)振現(xiàn)象研究及優(yōu)化，明確小天窗風(fēng)振控制的重要性；

c.通過(guò)本次研究可以初步建立風(fēng)振對(duì)應(yīng)仿真工況及控制指標(biāo)；

d.本次研究表明風(fēng)振仿真、測(cè)試、主觀感知具備高度一致性，后續(xù)可以通過(guò)仿真分析的手段在項(xiàng)目初期對(duì)風(fēng)振性能評(píng)估優(yōu)化，避免后期改進(jìn)成本；

e.本次針對(duì)SUV車型小天窗風(fēng)振現(xiàn)象的研究及優(yōu)化可推廣應(yīng)用于CAR、MPV車型，應(yīng)用過(guò)程中因整車腔體、姿態(tài)、外觀等發(fā)生變化，可能會(huì)存在問(wèn)題的反復(fù)，需要進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]尚雷，董立強(qiáng)，徐文斌，等.帶紗網(wǎng)導(dǎo)流的汽車天窗風(fēng)振噪聲仿真研究[J].汽車工程學(xué)報(bào).2021，11（2）：137-141.

[2]古正氣，劉壯志，楊振東，等.汽車風(fēng)振噪聲的空氣射流結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].中國(guó)機(jī)械工程. 2021，33（6）：681-688.

[3]楊振東，古正氣，謝超，等. 汽車天窗開(kāi)槽擾流器的降噪機(jī)理試驗(yàn)研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，45（2）：26-33.

[4]黃磊.汽車天窗風(fēng)振問(wèn)題的研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，2009，4（2）：38-41.

[5]黃麗那，藍(lán)志坤，孫冰寒，等.汽車天窗風(fēng)振噪聲的道路試驗(yàn)研究[J].汽車零部件，2018，11：34-36.

專家推薦語(yǔ)

康潤(rùn)程

國(guó)家汽車質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心（襄陽(yáng)）

NVH專業(yè)副總師? 研究員級(jí)高級(jí)工程師

本文針對(duì)某SUV現(xiàn)有小天窗擋風(fēng)條結(jié)構(gòu)，開(kāi)展了基于PowerFLOW的汽車天窗風(fēng)振噪聲仿真分析，得到了特定車速下的流場(chǎng)數(shù)據(jù)和駕駛員耳旁聲壓數(shù)據(jù)。然后在原車型仿真結(jié)果基礎(chǔ)上對(duì)擋風(fēng)條結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，按影響參數(shù)采用正交實(shí)驗(yàn)分析，進(jìn)行各設(shè)計(jì)方案的仿真、實(shí)車對(duì)比研究。數(shù)值仿真、實(shí)車測(cè)試、主觀感知得到的結(jié)果在整體趨勢(shì)上一致：最佳優(yōu)化方案聲壓級(jí)在峰值頻率點(diǎn)下降明顯，主觀感知不到風(fēng)振，優(yōu)化方案有效。

全文結(jié)構(gòu)完整，論點(diǎn)明確、理論正確、論據(jù)有效、邏輯性強(qiáng)、可讀性強(qiáng)。有創(chuàng)新和較好的學(xué)術(shù)水平，有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。