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某車型外造型風(fēng)噪仿真與試驗(yàn)研究

2020-08-03 22:16:48·  來源：汽車CFD技術(shù)之家  
　
摘要：為了評(píng)估某車型外造型風(fēng)噪的水平，利用商業(yè)軟件PowerFLOW開展了外造型風(fēng)噪的仿真分析，并與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)標(biāo)研究。初版仿真結(jié)果與試驗(yàn)存在著一定差
摘要：為了評(píng)估某車型外造型風(fēng)噪的水平，利用商業(yè)軟件PowerFLOW開展了外造型風(fēng)噪的仿真分析，并與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)標(biāo)研究。初版仿真結(jié)果與試驗(yàn)存在著一定差異，從聲源和傳遞路徑兩個(gè)方面對(duì)過預(yù)測(cè)的可能原因進(jìn)行了分析，表明仿真計(jì)算的幾何模型關(guān)鍵區(qū)域特征和仿真計(jì)算模型使用的玻璃面板、乘員艙的結(jié)構(gòu)參數(shù)屬性均對(duì)車內(nèi)噪聲有較為明顯的影響，解決這些問題后獲得了更好的對(duì)標(biāo)結(jié)果。最后仿真分析了后視鏡對(duì)風(fēng)噪的影響和改善方案。
 
引言：
 
在車速達(dá)到80km/h 以上時(shí)，風(fēng)噪成為汽車乘員艙內(nèi)最主要的聲源之一，以往研究表明，風(fēng)噪聲源的增加與正比于車速的六次方，而其他聲源僅以車速的一次到三次方的關(guān)系增加[1]。因此，降低高速車輛噪聲的一個(gè)關(guān)鍵方面就是有效的控制風(fēng)噪。風(fēng)噪的大小取決于車速、偏航角、車輛外造型以及密封性能等因素，車輛外造型是引起風(fēng)噪的源頭，直接決定了噪聲源的大小和位置[2-3]，因此，很有必要采取一種合理有效的手段預(yù)測(cè)外造型對(duì)風(fēng)噪的影響。隨著仿真軟件精度的提高以及高性能計(jì)算硬件資源的發(fā)展，CAE 虛擬仿真手段在汽車開發(fā)特別是在風(fēng)噪開發(fā)方面發(fā)揮著重大的作用，大大減少了實(shí)車風(fēng)洞試驗(yàn)次數(shù)，降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。為此，眾多學(xué)者發(fā)展了各種仿真模型，包括計(jì)算流體力學(xué)（CFD）與有限元（FEM）和邊界元（BEM）耦合模型，該模型對(duì)中低頻段的噪聲有較好地模擬效果[4-6]。另一種是基于計(jì)算流體力學(xué)與統(tǒng)計(jì)能量法（SEA）耦合的模型[7-9]，基于該模型的商業(yè)軟件
PowerFLOW已廣泛用于汽車外造型風(fēng)噪預(yù)測(cè)。David 等利用該方法研究了后視鏡的風(fēng)噪問題，分析了幾個(gè)不同的后視鏡對(duì)風(fēng)噪的影響，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明該方法可較好地預(yù)測(cè)噪聲源[10]。然而這些成果的獲得，均依賴于準(zhǔn)確的CAE仿真模型，以保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，這對(duì)于后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與性能評(píng)估也具有重要的指導(dǎo)意義。與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)分析是提高風(fēng)噪仿真精度的重要手段，本文對(duì)某一車型風(fēng)噪仿真模型與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)標(biāo)，提高模型的準(zhǔn)確性，為后續(xù)優(yōu)化方案研究提供可靠準(zhǔn)確的整車仿真模型。
 
本文開展了對(duì)某車型基于PowerFLOW 的外造型風(fēng)噪仿真研究，并與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)標(biāo)，發(fā)現(xiàn)第一版基準(zhǔn)仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)還是存在一定的差異。通過系統(tǒng)性的手段進(jìn)行修正，包括幾何模型修復(fù)和玻璃面板、乘員艙的結(jié)構(gòu)參數(shù)屬性研究，達(dá)到了更好的對(duì)標(biāo)精度。接下來利用PowerFLOW仿真分析研究了該車型后視鏡風(fēng)噪的影響，并給出了降低風(fēng)噪的后視鏡優(yōu)化方案。
 
1 實(shí)驗(yàn)和計(jì)算模型
1.1 計(jì)算模型
本文中的仿真計(jì)算采用格子玻爾茲曼方法(LBM)的超大渦模擬（VLES）算法，為全顯式非定?？蓧旱牧鲃?dòng)模式。模型的設(shè)置基于商業(yè)軟件PowerFLOW 的Greenhouse wind noise（GHWN）模板，忠實(shí)于風(fēng)洞中的試驗(yàn)場(chǎng)景，用以評(píng)價(jià)整車外造型的風(fēng)噪水平：上下游的邊界條件分別設(shè)置為速度入口和壓力出口，計(jì)算域頂面和側(cè)面設(shè)置為無反射滑移壁面條件，地面設(shè)置為無滑移邊界條件。模擬的物理時(shí)間為1s，時(shí)間步長(zhǎng)為2.7 × 10−6 s。設(shè)定來流風(fēng)速為120km/h，偏航角為0°，環(huán)境溫度為25℃，空氣密度為1.184kg/m3。
 
全車車身的幾何模型為封閉底盤結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格按照貼體性要求，被劃分成383 萬三角形面網(wǎng)格，最小面網(wǎng)格尺寸0.01mm（主要加密區(qū)集中于A柱、后視鏡附近），如圖1 所示。車身姿態(tài)前后輪眉的離地間隙設(shè)定，根據(jù)試驗(yàn)車的姿態(tài)確定，與試驗(yàn)樣車保持一致?？紤]到整車模型基本上是左右對(duì)稱的，本文選擇計(jì)算半車模型以節(jié)省計(jì)算資源。整個(gè)計(jì)算域的尺寸122.9m×73.7m×92.2m，約20 倍的整車尺寸。整個(gè)計(jì)算域中被劃分為10 層不同尺寸的加密區(qū)，不同加密層級(jí)中以不同尺寸的立方切割體網(wǎng)格填充；靠近車身表面的湍流區(qū)計(jì)算網(wǎng)格單元尺寸最小為0.5mm，遠(yuǎn)離車身表面的最外層層流區(qū)網(wǎng)格單元尺寸最大為1024mm，以保證計(jì)算精度的同時(shí)提高計(jì)算效率；全計(jì)算域內(nèi)切割立方體網(wǎng)格總數(shù)1.014 億，立方體網(wǎng)格被面網(wǎng)格切割生成的切割面總數(shù)達(dá)1.355 億。
 
1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/div>
風(fēng)洞試驗(yàn)在上海地面交通工具風(fēng)洞中心整車氣動(dòng)聲學(xué)風(fēng)洞（SAWTC）進(jìn)行。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛙嚍榕可a(chǎn)的全尺寸實(shí)車，整車采用密封膠帶對(duì)車身可能存在噪聲泄露部分結(jié)構(gòu)（如間隙）進(jìn)行光滑密封，底盤與輪罩通過一套工裝密封以排除底盤的貢獻(xiàn)。試驗(yàn)中來流速度為120km/h，偏航角為0°。布置在座椅處的四個(gè)聲學(xué)人工頭測(cè)量得的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的乘員艙內(nèi)的聲壓信號(hào)，經(jīng)由頻域變換被轉(zhuǎn)換為車內(nèi)聲壓頻譜和語音清晰度。
 
2 結(jié)果與討論
2.1 車內(nèi)噪聲結(jié)果對(duì)比
將風(fēng)洞試驗(yàn)得到的車內(nèi)聲壓級(jí)曲線與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖2 所示。兩者的結(jié)果是接近的。在[200,600]Hz 的低頻段上（人耳在這一頻率段內(nèi)的噪聲并不敏感，該頻率段內(nèi)噪聲由底盤風(fēng)噪、密封條透射風(fēng)噪和泄露噪聲所主導(dǎo)），仿真結(jié)果較試驗(yàn)結(jié)果高約2-3dB；在[600,2000]Hz的中頻段上（人耳在這一頻率段內(nèi)的噪聲較為敏感，該頻率段內(nèi)噪聲由GHWN 風(fēng)噪、底盤風(fēng)噪、密封條透射風(fēng)噪和泄露噪聲共同主導(dǎo)），仿真結(jié)果較試驗(yàn)結(jié)果高約1-2dB；在[2000,5000]Hz的吻合頻率段上（人耳在這一頻率段內(nèi)的噪聲極為敏感，該頻率段內(nèi)噪聲主要由GHWN 風(fēng)噪所主導(dǎo)），仿真結(jié)果較試驗(yàn)結(jié)果高約3-4dB。
 
2.2 車內(nèi)噪聲對(duì)標(biāo)問題分析
根據(jù)以往PowerFLOW 的仿真經(jīng)驗(yàn)，第一版基準(zhǔn)仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)還是存在顯著的差異。首先我們分別考察仿真計(jì)算與風(fēng)洞試驗(yàn)的車內(nèi)噪聲的噪聲來源。仿真計(jì)算時(shí)僅考慮流體與車身壁面的相互作用產(chǎn)生的不穩(wěn)定壓力而引起的噪聲，而試驗(yàn)中除后視鏡部分湍流脫落激勵(lì)到車窗部分的聲源外，還包括由氣流經(jīng)過其他未妥善處理的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)（如底盤密封工裝中的不規(guī)則凸起，安裝于車輪等處的大塊工裝平板或松動(dòng)的密封條的拍動(dòng)，車身因制造公差產(chǎn)生的段差，車身遠(yuǎn)離車窗處產(chǎn)生的異響等等）產(chǎn)生的背景噪聲；另一方面我們考慮兩者聲音傳遞路徑的差別，仿真中假設(shè)聲音僅由玻璃面板傳入乘員艙，而試驗(yàn)中除了玻璃面板外，聲音還會(huì)從鈑金、密封條、泄露通道傳入車內(nèi)。總體而言，由于試驗(yàn)過程中可能存在除流動(dòng)噪聲之外額外聲源，而且存在著更多的聲音傳遞路徑。通常而言，PowerFLOW仿真計(jì)算的聲壓（尤其是低頻段的頻譜）應(yīng)當(dāng)比風(fēng)洞試驗(yàn)低才是更為合理的。而第一版基準(zhǔn)仿真分析的結(jié)果，仿真計(jì)算的聲壓級(jí)在全頻段上高過了風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果，大部分頻段的差值在2-3dB，這一現(xiàn)象在以往的PowerFLOW 仿真分析結(jié)果中是不常見的。我們據(jù)此認(rèn)為，仿真模型與試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭g存在系統(tǒng)誤差，應(yīng)通過系統(tǒng)性的手段進(jìn)行修正，以達(dá)到更好的對(duì)標(biāo)精度。
 
根據(jù)聲源和傳遞路徑兩個(gè)方面的分析，我們認(rèn)為過預(yù)測(cè)的可能原因包括（1）實(shí)車測(cè)試過程中發(fā)生的系統(tǒng)性錯(cuò)誤；（2）仿真計(jì)算的幾何模型與試驗(yàn)車模型不一致，進(jìn)而導(dǎo)致激勵(lì)源不一致；（3）仿真計(jì)算模型與試驗(yàn)車的玻璃面板、乘員艙的結(jié)構(gòu)參數(shù)屬性不一致。
 
風(fēng)洞試驗(yàn)中可能存在的系統(tǒng)誤差來源，一直受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。它們包括但不限于：整車樣車制備過程中的平板的工程偏差（零件的松動(dòng)、敲擊聲、嘯叫聲等），測(cè)試通道的次優(yōu)儀表增益設(shè)置、過載或本底噪聲等等。盡管試驗(yàn)測(cè)試過程中均施加額外的注意，但仍偶有發(fā)生無法絕對(duì)避免，在以往的文獻(xiàn)中多有報(bào)導(dǎo)。2007年，在捷豹路虎的學(xué)術(shù)論文中，對(duì)同一生產(chǎn)線上同一批次的數(shù)臺(tái)量產(chǎn)產(chǎn)品的風(fēng)洞噪聲性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)由于樣車和測(cè)試時(shí)間的不同，聲壓級(jí)的誤差達(dá)±3σ，在高頻處甚至超過10dB[11]。
 
由于風(fēng)洞試驗(yàn)實(shí)車測(cè)試需要耗費(fèi)較高的人力和成本，無法再現(xiàn)其測(cè)試場(chǎng)景。在仔細(xì)比對(duì)物理樣車外造型關(guān)鍵區(qū)域與其CAD幾何的關(guān)鍵特征完成后，我們不再關(guān)注這一因素，轉(zhuǎn)而對(duì)后兩個(gè)因素進(jìn)行研究。
 
2.3 幾何模型研究
 
仿真模型的幾何對(duì)標(biāo)是對(duì)標(biāo)分析的第一步，只有在仿真計(jì)算的幾何模型與試驗(yàn)車一致的前提下，才能獲得真實(shí)可靠的流場(chǎng)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)而分析車內(nèi)聲壓。經(jīng)過比對(duì)我們發(fā)現(xiàn)原模型設(shè)置中，前三角窗面板設(shè)置為如圖3(a)紅色區(qū)域，而試驗(yàn)車上，僅有綠色標(biāo)注部分是可以透聲的玻璃面板。此外，在風(fēng)洞試驗(yàn)中格柵與分縫均用膠帶貼平，而仿真模型中保留了格柵和分縫的特征，如圖4 所示。
 
 
仿真模型中對(duì)上述位置的幾何修復(fù)后重新進(jìn)行了仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5 所示?？梢钥吹?，幾何修復(fù)后在100-800Hz 的中低頻部分取得了較為明顯的改善，仿真的聲壓級(jí)譜線與測(cè)試結(jié)果更為接近，這表明仿真模型的細(xì)節(jié)對(duì)仿真結(jié)果也有一定的影響。然而高頻并改善并不明顯，需要對(duì)其他的因素再進(jìn)行研究。
 
2.4 乘員艙和玻璃結(jié)構(gòu)屬性研究
玻璃面板、乘員艙的結(jié)構(gòu)參數(shù)屬性的影響主要包括混響時(shí)間（Reverberation time，RT60）、玻璃損耗因子（Damping loss factor，DLF），以及玻璃和
夾層材料的力學(xué)參數(shù)。PowerFLOW 軟件提供了混響時(shí)間和玻璃損耗因子的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，其數(shù)據(jù)是從多個(gè)車型的測(cè)試結(jié)果中提煉出來的。該車型車內(nèi)的混
響時(shí)間和玻璃損耗因子與PowerFLOW 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)參數(shù)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)混響時(shí)間的測(cè)試數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)數(shù)據(jù)相比是偏高的，玻璃損耗因子的測(cè)試數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)數(shù)
據(jù)相比是偏低的，這必將導(dǎo)致乘員艙內(nèi)的聲壓級(jí)增大。
 
分別采用PowerFLOW 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)和該車型實(shí)測(cè)性能參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，分析結(jié)果如圖6 所示?？梢钥吹?，采用PowerFLOW 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)性能參數(shù)的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果很接近，在大部分頻段內(nèi)仿真的過預(yù)測(cè)趨勢(shì)能夠被結(jié)構(gòu)性能的變化所解釋。
 
圖7顯示了同時(shí)使用新的RT60和DLF數(shù)據(jù)的車內(nèi)聲壓計(jì)算結(jié)果，可以看到，使用新參數(shù)的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合的很好，表明過預(yù)測(cè)結(jié)果在不同的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)敏感性分析的波動(dòng)范圍之內(nèi)，結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同很有可能是導(dǎo)致過預(yù)測(cè)的原因。
 
3 設(shè)計(jì)優(yōu)化
大量研究表明，汽車后視鏡的尾流和A 柱后的渦流是產(chǎn)生風(fēng)噪的最主要原因。首先我們對(duì)有無后視鏡開展對(duì)比分析，無后視鏡情況下的研究有助于發(fā)現(xiàn)一些由外造型引起的流動(dòng)特征，這些特征在有后視鏡的情況下可能難以觀察到，從圖8 中有無后視鏡的渦量圖對(duì)比可看到，基準(zhǔn)模型的A 柱渦流被后視鏡打亂，并且在后視鏡下游產(chǎn)生了一個(gè)范圍很大的尾流區(qū)，這將顯著增大前側(cè)窗區(qū)域的湍流激勵(lì)和聲波載荷，這些渦進(jìn)一步發(fā)展分解成更小的渦，并產(chǎn)生高頻噪聲。由圖9 中聲壓級(jí)譜線也可以看到后視鏡的影響十分明顯，中高頻段的貢獻(xiàn)達(dá)到了5dB 左右。因此，有必要對(duì)后視鏡的幾何形狀進(jìn)行優(yōu)化來減小風(fēng)噪。
 
 
由于后視鏡的尾流是前側(cè)窗區(qū)域最主要的聲源之一，優(yōu)化的方向自然從減小尾流影響入手，通過降低后視鏡區(qū)域的流體加速?gòu)亩鴾p小尾流和作用于前側(cè)窗的湍流激勵(lì)。一個(gè)辦法是通過增加后視鏡鏡柄的長(zhǎng)度來增加后視鏡到前側(cè)窗的距離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加寬該區(qū)域的流體通道以降低流速，同時(shí)通過調(diào)整后視鏡鏡體和鏡柄的造型，引導(dǎo)氣流遠(yuǎn)離前側(cè)窗。圖10 為后視鏡優(yōu)化方案示意圖。
 
對(duì)比圖11和12后視鏡優(yōu)化方案和原后視鏡方案的前側(cè)窗湍流聲壓和聲波載荷，可以看到優(yōu)化后的后視鏡比原后視鏡激勵(lì)明顯降低。定義聲壓級(jí)優(yōu)化量為優(yōu)化后視鏡減去原模型，從圖13優(yōu)化量柱狀圖上看，在2000Hz 以下頻段優(yōu)化后的后視鏡聲壓級(jí)降低約0.5-1.5dB，而在2000Hz 以上頻段，優(yōu)化效果更為明顯，聲壓級(jí)降低約1.5-3dB。
 
 
 
4 結(jié)論
本文中通過基于LBM 方法的PowerFLOW 軟件對(duì)外造型風(fēng)噪進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)，并與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)標(biāo)研究，分析了初版仿真結(jié)果過預(yù)測(cè)的原因，表明仿真模型的細(xì)節(jié)特征、玻璃面板和乘員艙屬性對(duì)仿真結(jié)果有較大的影響，解決這些問題后得到了較好的對(duì)標(biāo)結(jié)果。仿真分析也表明后視鏡會(huì)引起很強(qiáng)的噪聲源，增加鏡柄的長(zhǎng)度和調(diào)整后鏡體與鏡柄的造型可以有效地降低風(fēng)噪，改善車內(nèi)噪聲。
 
作者：陳耀欽1，徐仰匯1，張斌瑜1，張林1，余柳平2
  1. 廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院
  2. ?？怂_（上海）模擬軟件技術(shù)有限公司
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