周華,李鋒,吳澤勛.基于某款轎車(chē)關(guān)門(mén)耳壓數(shù)值模擬與分析[C]//中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)分會(huì).2023中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)分會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.重慶睿藍(lán)汽車(chē)研究院有限公司;,2023:8.

摘  要：

本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法來(lái)研究車(chē)門(mén)在關(guān)閉過(guò)程中對(duì)人耳舒適感的影響。通過(guò)運(yùn)用STAR-CCM+仿真軟件建立了某款轎車(chē)的 1：1 模型，以實(shí)測(cè)關(guān)門(mén)速度為輸入，得到了車(chē)門(mén)關(guān)閉過(guò)程中駕駛員與乘員的關(guān)門(mén)耳壓變化情況，基于該模型研究了不同乘員數(shù)量對(duì)關(guān)門(mén)耳壓的影響，并嘗試通過(guò)優(yōu)化氣流通道、增加輔助通風(fēng)孔等途徑來(lái)降低關(guān)門(mén)耳壓力。結(jié)果表明，乘員艙內(nèi)的關(guān)門(mén)耳壓峰值隨乘員數(shù)量的增加呈線性增長(zhǎng)，通過(guò)優(yōu)化氣流通道等措施可有效降低關(guān)門(mén)耳壓感。

前言  

汽車(chē)作為現(xiàn)代社會(huì)老百姓的出行必備工具，以往選擇車(chē)型時(shí)更多的是追求動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性，直至現(xiàn)在汽車(chē)的乘坐舒適性也成為了選擇車(chē)型的重要指標(biāo)之一。而汽車(chē)的關(guān)門(mén)品質(zhì)作為乘坐人員可以直接感受到的性能，會(huì)直接影響到乘坐人員的主觀評(píng)價(jià)。

車(chē)門(mén)在關(guān)閉過(guò)程中，乘坐人員有時(shí)會(huì)感到耳感不適，這與車(chē)內(nèi)氣體的流動(dòng)特性密切相關(guān)。國(guó)外學(xué)者LEE.Y.L[1]等通過(guò)仿真手段，運(yùn)用仿真軟件自帶的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)關(guān)門(mén)過(guò)程進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)車(chē)門(mén)關(guān)閉角速度對(duì)車(chē)內(nèi)的耳壓影響比較大。LI.S[2]等對(duì)車(chē)門(mén)關(guān)閉過(guò)程進(jìn)行了實(shí)車(chē)測(cè)試，并將試驗(yàn)所測(cè)的最小關(guān)門(mén)速度作為輸入條件，以SSTκ-ω湍流模型和理想氣體作為物理模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)與仿真的結(jié)合，將誤差控制在工程上要求的15%以?xún)?nèi)。國(guó)內(nèi)學(xué)者張瑞[3]通過(guò)仿真手段，研究了影響關(guān)門(mén)過(guò)程中人耳舒適性的相關(guān)因素。蘇瑞[4]運(yùn)用數(shù)值仿真技術(shù)，結(jié)合試驗(yàn)提出了關(guān)門(mén)耳壓感的優(yōu)化方向，為優(yōu)化車(chē)門(mén)關(guān)閉過(guò)程中的人耳舒適度提供參考。

本文運(yùn)用仿真軟件STAR-CCM+自帶的重疊網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行仿真分析，以實(shí)測(cè)得到的車(chē)門(mén)關(guān)閉速度作為數(shù)值仿真的初始輸入，計(jì)算得到乘員艙內(nèi)乘坐人員耳朵附近的壓力變化情況以及車(chē)門(mén)關(guān)閉過(guò)程中的車(chē)內(nèi)氣流流場(chǎng)情況，分析初始狀態(tài)、車(chē)內(nèi)不同乘員數(shù)量、氣流路徑等對(duì)關(guān)門(mén)耳壓仿真結(jié)果的影響。

1 關(guān)門(mén)耳壓感產(chǎn)生機(jī)理

車(chē)門(mén)關(guān)閉時(shí)車(chē)內(nèi)壓力瞬間增大導(dǎo)致人耳不舒適的感覺(jué)，這種感覺(jué)被稱(chēng)為關(guān)門(mén)耳壓感。通過(guò)人耳結(jié)構(gòu)圖1得知，人耳主要分為外耳、中耳和內(nèi)耳3個(gè)部分，鼓膜將外耳和中耳分開(kāi)。在車(chē)門(mén)閉合瞬間，車(chē)內(nèi)壓力驟升，外耳內(nèi)的壓力自動(dòng)地隨之變化，而由鼓膜分開(kāi)的中耳還保持原有的壓力，耳膜兩邊形成的壓力差使鼓膜內(nèi)陷，此時(shí)乘客就會(huì)感到耳感不適，形成耳壓的感覺(jué)，耳壓嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)耳鳴、惡心等不適感覺(jué)；有相關(guān)資料表明，黃種人的身體特質(zhì)會(huì)對(duì)人耳內(nèi)外氣壓差更加敏感，更容易察覺(jué)到壓力波動(dòng)。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值計(jì)算理論方法

流體的流動(dòng)遵循物理守恒定律，分別為質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律。以下是守恒定律的描述[5]:

2.2 模型描述 

2.2.1 仿真模型  

本文所研究對(duì)象為某轎車(chē) 1：1 全比例實(shí)車(chē)的整車(chē)模型，該模型保留了整車(chē)主要結(jié)構(gòu)，包括車(chē)門(mén)、座椅、內(nèi)飾、外飾及車(chē)身鈑金件等結(jié)構(gòu)特征，如圖 2 所示，并引用總布置調(diào)校的假人模型來(lái)確定人耳位置，保證該仿真模型與實(shí)車(chē)的一致性。

重疊網(wǎng)格技術(shù)廣泛運(yùn)用于2個(gè)或多個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析，車(chē)門(mén)關(guān)閉過(guò)程是車(chē)門(mén)在打開(kāi)狀態(tài)的起始位置通過(guò)車(chē)門(mén)旋轉(zhuǎn)到關(guān)門(mén)狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，而本次仿真分析是考察在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中乘員艙內(nèi)乘員耳朵附近監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的氣動(dòng)壓力變化。本文仿真計(jì)算采用Trimmer網(wǎng)格對(duì)整個(gè)計(jì)算域進(jìn)行劃分，并對(duì)車(chē)身外表面進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，通過(guò)在車(chē)門(mén)及車(chē)身門(mén)框區(qū)域重疊多個(gè)加密區(qū)的方法來(lái)保證重疊網(wǎng)格周邊區(qū)域的網(wǎng)格尺寸保持一致性，以確保仿真的成功及仿真結(jié)果的可靠性，最終所得體網(wǎng)格總數(shù)約為3500萬(wàn)。

2.2.2 仿真條件

本次仿真模擬汽車(chē)單車(chē)門(mén)關(guān)閉時(shí)車(chē)內(nèi)的氣流流場(chǎng)情況，將駕駛員位置車(chē)門(mén)依據(jù)車(chē)門(mén)鉸鏈的局部坐標(biāo)調(diào)整至限位器1檔位置（開(kāi)門(mén)角度35°），其它車(chē)門(mén)保持關(guān)閉狀態(tài)，車(chē)門(mén)旋轉(zhuǎn)域輸入車(chē)門(mén)關(guān)閉實(shí)測(cè)速度值0.97m/s作為初始輸入，計(jì)算域外表面設(shè)定為靜壓為0的壓力出口，除壓力出口之外的其它邊界設(shè)為壁面邊界。

3 分析結(jié)果

3.1 基礎(chǔ)分析結(jié)果

3.1.1 原狀態(tài)分析結(jié)果 

基于某款轎車(chē)車(chē)型分別測(cè)量前排和后排乘員4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的耳壓及關(guān)門(mén)速度，結(jié)果如圖3所示。從圖3結(jié)果圖得知，在整個(gè)車(chē)門(mén)從開(kāi)啟到關(guān)閉的過(guò)程中，靠近運(yùn)動(dòng)車(chē)門(mén)的駕駛員左耳耳壓在 1.017s 達(dá)到峰值172.04Pa，副駕駛員右耳耳壓在 1.021s 達(dá)到峰值 177.52Pa，駕駛員后排乘員左耳耳壓在 1.021s 達(dá)到峰值171.48Pa，副駕駛員后排乘員右耳耳壓在1.022s達(dá)到峰值176.91Pa。從各位置的耳壓峰值到達(dá)時(shí)間上可以看出，副駕駛員的耳壓峰值與后排乘員的耳壓峰值出現(xiàn)的時(shí)間相近，相較于主駕駛員耳壓峰值出現(xiàn)的時(shí)間滯后約4ms，且駕駛員側(cè)的乘員耳壓峰值比副駕駛員側(cè)的乘員耳壓峰值略低，這是仿真考慮駕駛員位置車(chē)門(mén)單門(mén)關(guān)閉過(guò)程，乘員艙內(nèi)的氣體流動(dòng)與車(chē)門(mén)運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)特性導(dǎo)致的差異。

分析結(jié)果圖4為車(chē)門(mén)運(yùn)動(dòng)軌跡的速度云圖，展示了車(chē)門(mén)在關(guān)閉運(yùn)動(dòng)過(guò)程中車(chē)門(mén)不同位置的氣流速度情況。隨著車(chē)門(mén)的關(guān)閉，車(chē)門(mén)內(nèi)外側(cè)的空氣流動(dòng)速度逐漸變大；在車(chē)門(mén)關(guān)閉時(shí)間為0-0.7s時(shí)，只有較少的氣體被擠壓進(jìn)乘員艙，乘員艙內(nèi)假人耳部的氣壓變化不大；而在車(chē)門(mén)關(guān)閉時(shí)間為0.8s以后，越來(lái)越多的空氣被車(chē)門(mén)擠入乘員艙內(nèi)，并急劇從車(chē)身后部的泄壓閥排出車(chē)身，使車(chē)內(nèi)的氣體迅速被擠壓，致使車(chē)內(nèi)的氣壓急劇上升；在車(chē)門(mén)關(guān)閉時(shí)間為1.1s以后，車(chē)內(nèi)的氣體通過(guò)車(chē)身后側(cè)圍內(nèi)飾上的通風(fēng)格柵再到車(chē)身上的泄壓閥逐漸被排出，氣體流動(dòng)逐漸恢復(fù)平穩(wěn)。

3.1.2 車(chē)艙內(nèi)不同乘員數(shù)量分析結(jié)果

針對(duì)乘員艙內(nèi)由1位乘員增加到4位（前排2人，后排2人）乘員的關(guān)門(mén)耳壓情況進(jìn)行分析研究，圖5 所示為車(chē)內(nèi)不同乘員數(shù)量的耳壓對(duì)比結(jié)果。乘員艙內(nèi)只有駕駛員 1 個(gè)乘員時(shí)，駕駛員的耳壓峰值為170.71Pa，副駕駛員的耳壓峰值為 173.30Pa，駕駛員后排乘員的耳壓峰值為169.50Pa，副駕駛員后排乘員的耳壓峰值為174.87Pa；當(dāng)乘員數(shù)量由1人增加到4人時(shí)，駕駛員的耳壓峰值為175.56Pa，耳壓峰值差值為 4.85Pa；副駕駛員的耳壓峰值為 182.26Pa，耳壓峰值差值為 8.96Pa；駕駛員后排乘員的耳壓峰值為173.72Pa，耳壓峰值差值為 4.22Pa；副駕駛員后排乘員的耳壓峰值為180.62Pa，耳壓峰值差值為5.75Pa；從分析結(jié)果對(duì)比得知，隨著車(chē)內(nèi)乘員數(shù)量的增加，各位置的耳壓峰值呈線性增長(zhǎng)，但總的差值均小于10Pa，主觀感受差異不大，因此，解決車(chē)輛關(guān)門(mén)耳壓感問(wèn)題時(shí)，只需要保證數(shù)據(jù)前后狀態(tài)一致，無(wú)需考慮乘員艙內(nèi)乘員數(shù)量對(duì)車(chē)內(nèi)耳壓的影響。

3.2 優(yōu)化分析結(jié)果

在關(guān)門(mén)過(guò)程中，車(chē)門(mén)將氣體擠壓到車(chē)內(nèi)，大部分的氣體通過(guò)車(chē)身上的泄壓閥排出，小部分的氣體通過(guò)車(chē)身上一些密封不嚴(yán)的孔縫排出，而氣流在流到泄壓閥之前要經(jīng)過(guò)衣帽架到達(dá)后行李艙，再通過(guò)后側(cè)圍內(nèi)飾板上的通風(fēng)孔到達(dá)車(chē)身上的泄壓閥，所以通過(guò)優(yōu)化氣體流動(dòng)路徑來(lái)降低乘員艙內(nèi)的氣壓。

3.2.1 衣帽架周邊氣流通道優(yōu)化

在初始模型基礎(chǔ)上優(yōu)化氣流通道，通過(guò)觀察初始模型發(fā)現(xiàn)，后排座椅與衣帽架之間的間隙較小，衣帽架與周邊車(chē)身內(nèi)飾結(jié)構(gòu)的距離也存在可優(yōu)化空間，仿真研究通過(guò)加大衣帽架與周邊結(jié)構(gòu)的間隙來(lái)考察關(guān)門(mén)耳壓情況，具體優(yōu)化方案如圖6所示。

通過(guò)對(duì)比優(yōu)化氣流通道前后的分析結(jié)果得知：優(yōu)化氣流通道1后，駕駛員耳壓峰值由172.04Pa降到了160.57Pa，耳壓峰值減小了11.47Pa；副駕駛員耳壓峰值由177.52Pa降到了164.60Pa，耳壓峰值減小了12.92Pa；駕駛員后排乘員耳壓峰值由171.48Pa降到了157.86Pa，耳壓峰值減小了13.62Pa；副駕駛員后排乘員耳壓峰值由176.91Pa降到了162.69Pa，耳壓峰值減小了14.22Pa；各個(gè)位置耳壓峰值的降幅均超過(guò)了10Pa，整體優(yōu)化效果較為明顯。在優(yōu)化后的氣流通道1基礎(chǔ)上繼續(xù)增大衣帽架整體與周邊結(jié)構(gòu)的距離，得到氣流通道2，分析結(jié)果對(duì)比得出不同位置的耳壓情況如下：相較于氣流通道1，氣流通道2的各位置耳壓峰值差值為駕駛員的耳壓峰值差值為2.44Pa，副駕駛員的耳壓峰值差值為2.72Pa，駕駛員后排乘員的耳壓峰值差值為2.46Pa，副駕駛員后排乘員的耳壓峰值差值為2.73Pa。優(yōu)化氣流通道2前后的耳壓峰值差值較小，說(shuō)明后排座椅與衣帽架的間隙對(duì)乘員艙內(nèi)乘員的關(guān)門(mén)耳壓影響較大，其它區(qū)域的通風(fēng)面積增大對(duì)關(guān)門(mén)耳壓影響較小，后續(xù)可將座椅與衣帽架的間隙作為降低整車(chē)關(guān)門(mén)耳壓感的重點(diǎn)研究對(duì)象。

3.2.2 后側(cè)圍內(nèi)飾通風(fēng)孔優(yōu)化

本次仿真所研究車(chē)型從后側(cè)圍內(nèi)飾版到車(chē)身鈑金泄壓閥的氣體流通路徑為車(chē)身兩側(cè)小面積開(kāi)口格柵設(shè)計(jì)，駕駛員側(cè)的通風(fēng)格柵開(kāi)口面積相較于副駕駛員側(cè)較大，在開(kāi)口格柵附近設(shè)計(jì)輔助通風(fēng)孔作為本次仿真的研究對(duì)象，具體優(yōu)化方案如圖8所示。

對(duì)比仿真計(jì)算結(jié)果，如圖9所示，在左右兩側(cè)的后側(cè)圍內(nèi)飾上增加輔助通風(fēng)口后，駕駛員耳壓峰值由172.04Pa 降到了 170.86Pa，耳壓峰值減小了1.18Pa；副駕駛員耳壓峰值由177.52Pa降到了176.06Pa，耳壓峰值減小了1.46Pa；駕駛員后排乘員耳壓峰值由171.48Pa降到了169.82Pa，耳壓峰值減小了1.66Pa；副駕駛員后排乘員耳壓峰值由176.91Pa降到了175.23Pa，耳壓峰值減小了1.68Pa；各個(gè)位置耳壓峰值的降幅均未超過(guò)了2Pa，說(shuō)明在后側(cè)圍內(nèi)飾板上增加輔助通風(fēng)孔對(duì)乘員艙內(nèi)的關(guān)門(mén)耳壓影響較小。在增加輔助通風(fēng)孔基礎(chǔ)上將優(yōu)化后的衣帽架氣流通道 1 疊加計(jì)算，從分析結(jié)果得知：相較于增加輔助通風(fēng)孔的耳壓峰值，駕駛員耳壓峰值減小了 13.56Pa，副駕駛員耳壓峰值減小了 14.61Pa，駕駛員后排乘員耳壓峰值減小了15.12Pa，副駕駛員后排乘員耳壓峰值減小了15.87Pa。結(jié)合單獨(dú)計(jì)算優(yōu)化氣流通道1的分析結(jié)果，增加輔助通風(fēng)孔在原狀態(tài)和優(yōu)化氣流通道1基礎(chǔ)上降低乘員艙內(nèi)氣壓效果均不明顯，說(shuō)明初始狀態(tài)設(shè)計(jì)的小面積開(kāi)口格柵基本滿(mǎn)足乘員艙內(nèi)氣流泄壓通風(fēng)設(shè)計(jì)要求。

3.2.3 有無(wú)衣帽架對(duì)比分析

本次仿真所研究車(chē)型考慮行李艙的儲(chǔ)物空間，考察取消衣帽架后對(duì)關(guān)門(mén)耳壓的影響。分析結(jié)果如圖10所示，從分析結(jié)果可以看出，相較于有衣帽架的設(shè)計(jì)狀態(tài)的耳壓峰值，取消衣帽架后駕駛員耳壓峰值減小了16.78Pa，副駕駛員耳壓峰值減小了 18.96Pa，駕駛員后排乘員耳壓峰值減小了 19.84Pa，副駕駛員后排乘員耳壓峰值減小了 20.81Pa。結(jié)合文中上述優(yōu)化方案的結(jié)果判斷，衣帽架的結(jié)構(gòu)以及尺寸大小直接阻礙了乘員艙內(nèi)的氣流排出，不利于整車(chē)泄壓，對(duì)整車(chē)關(guān)門(mén)耳壓感影響較大。

4 總結(jié)

本文針對(duì)某款轎車(chē)存在的關(guān)門(mén)耳壓感問(wèn)題，期望通過(guò)仿真計(jì)算手段來(lái)提升關(guān)門(mén)耳壓舒適性，在研究過(guò)程中首先對(duì)關(guān)門(mén)耳壓感的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了解析，然后針對(duì)原狀態(tài)、不同乘員數(shù)量、優(yōu)化氣流通道、增加輔助通風(fēng)孔和考慮取消衣帽架等方案進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算結(jié)果得知，在車(chē)門(mén)關(guān)閉過(guò)程中，隨著車(chē)內(nèi)的乘員數(shù)量增加，乘員耳朵附件的關(guān)門(mén)耳壓峰值呈線性增長(zhǎng)；通過(guò)對(duì)優(yōu)化衣帽架周邊氣流通道以及增加輔助通風(fēng)孔等措施，判定現(xiàn)有設(shè)計(jì)狀態(tài)的小面積開(kāi)口格柵基本滿(mǎn)足乘員艙內(nèi)氣流泄壓通風(fēng)設(shè)計(jì)要求，并結(jié)合全文的分析結(jié)果找到對(duì)關(guān)門(mén)耳壓感影響較大的因素為衣帽架的結(jié)構(gòu)與尺寸大小，為該車(chē)型關(guān)門(mén)耳壓感的優(yōu)化提供一定的方向和參考。