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    汽車后視鏡與雨刮的風(fēng)噪優(yōu)化*

    2019-01-29 06:46:40侯兆平黃元毅陳瑞鋒沈艷濤
    汽車工程 2018年12期
    關(guān)鍵詞:尾渦原車窗玻璃

    侯兆平,付 年,黃元毅,徐 鐵,陳瑞鋒,沈艷濤

    (1.上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心,柳州 545007; 2.上海?;⒃畔⒖萍加邢薰荆虾?200235)

    前言

    車輛在高速行駛時(shí)的動力總成噪聲、輪胎/路面噪聲得到一定控制之后,氣動噪聲已成為高速行駛車輛的主要噪聲源[1-4],受到汽車企業(yè)和研究人員的重視。風(fēng)洞試驗(yàn)、道路試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算是整車風(fēng)噪研究的主要技術(shù)手段。路試經(jīng)濟(jì)易于實(shí)施,其缺點(diǎn)是無法避免引入發(fā)動機(jī)、車身結(jié)構(gòu)和輪胎等的干擾噪聲。風(fēng)洞試驗(yàn)精確,認(rèn)可度高,但目前國內(nèi)風(fēng)洞資源緊張、費(fèi)用高。

    采用CFD/SEA方法進(jìn)行整車風(fēng)噪數(shù)值仿真技術(shù)近年來興起,在國外得到廣泛應(yīng)用[5-16],某些車企已用這種方法部分甚至全部替代風(fēng)噪的風(fēng)洞試驗(yàn)。圖1為乘坐艙內(nèi)噪聲預(yù)測值與試驗(yàn)值的相關(guān)分析[9]。由圖可見,仿真預(yù)測值與風(fēng)洞試驗(yàn)值的最大誤差為0.8dB(A),表明該方法噪聲預(yù)測的準(zhǔn)確性。

    圖1 內(nèi)部噪聲預(yù)測值與試驗(yàn)值的相關(guān)分析

    國內(nèi)整車風(fēng)噪研究起步晚,艙內(nèi)噪聲性能改進(jìn)方面取得的成果有限[1-4]。本文中針對整車風(fēng)噪性能提高,開展仿真、改進(jìn)和試驗(yàn)的研究工作。

    1 氣動噪聲仿真方法

    整車風(fēng)噪仿真分為兩步:(1)通過瞬態(tài)外流場計(jì)算,得到壓力脈動作為氣動噪聲源;(2)輸入噪聲源,進(jìn)行聲學(xué)計(jì)算,得到艙內(nèi)噪聲。

    1.1 瞬態(tài)外流場計(jì)算

    瞬態(tài)外流場計(jì)算采用格子玻爾茲曼法,本節(jié)中的公式參見文獻(xiàn)[17]。與傳統(tǒng)CFD的NS方程不同,玻爾茲曼方程為

    式中:f(x,v,t)為粒子在時(shí)間 t、速度 v時(shí)的概率分布方程;Θ為滿足守恒定律的粒子碰撞算子。流體密度ρ和速度v均通過瞬時(shí)總和來獲得:

    湍流方程采用VLES(very large eddy simulation)方法,得到如下方程:

    1.2 艙內(nèi)噪聲計(jì)算

    圖2為艙內(nèi)噪聲計(jì)算流程,本節(jié)中的公式參見文獻(xiàn)[6]。聲學(xué)計(jì)算采用統(tǒng)計(jì)能量法。整車風(fēng)噪有兩種輸入即壓力脈動的兩種聲源:(1)近壁面湍流壓力脈動作用在結(jié)構(gòu)件壁面上,形成振動而產(chǎn)生艙內(nèi)噪聲;(2)空間聲波以輻射的形式穿透結(jié)構(gòu)件(如側(cè)風(fēng)窗玻璃),進(jìn)入艙內(nèi)。

    圖2 SEA方法用于艙內(nèi)聲學(xué)示意圖

    1.2.1 湍流壓力脈動聲源

    湍流壓力脈動直接作用在結(jié)構(gòu)壁面上,一般聲場的脈動壓力對整車面板的時(shí)均輸入功為

    對式(5)簡化處理,輸入功率可轉(zhuǎn)換為等效點(diǎn)力加載到側(cè)窗玻璃上,表達(dá)如下:

    式中:G為輸入導(dǎo)納的實(shí)部;〈F2〉為與時(shí)間相關(guān)的節(jié)點(diǎn)力等效均方根值,重構(gòu)結(jié)構(gòu)表面的輸入功率。輸入導(dǎo)納實(shí)部的表達(dá)式為

    式中:Ap為面板面積;n(ω)為面板的模態(tài)密度;ρsp為面板的面密度。

    1.2.2 聲學(xué)輻射聲源輻射聲源進(jìn)入車內(nèi)的聲能為

    2 仿真模型

    2.1 瞬態(tài)外流場計(jì)算

    數(shù)值仿真車速為120km/h,全細(xì)節(jié)模型見圖3,網(wǎng)格總數(shù)約為2.4億,最小尺寸為0.5mm。

    圖3 原車模型圖

    2.2 艙內(nèi)噪聲計(jì)算

    不考慮聲泄漏情況下,玻璃的隔聲性能遠(yuǎn)低于金屬車身部件,可認(rèn)為車外部聲源的噪聲僅經(jīng)由側(cè)窗玻璃和前風(fēng)窗玻璃傳入艙內(nèi)。須求解輸入功與玻璃的相互作用,以及輸入功在玻璃中傳播時(shí)的衰減,得到艙內(nèi)測點(diǎn)位置的聲壓級。表1和表2為側(cè)窗玻璃參數(shù),表3為混響時(shí)間。

    表1 SEA艙內(nèi)噪聲計(jì)算玻璃參數(shù)

    表2 玻璃阻尼系數(shù)

    表3 艙內(nèi)混響時(shí)間

    3 仿真結(jié)果與分析

    圖4為原車乘坐艙內(nèi)1/3倍頻A計(jì)權(quán)聲壓級曲線,包括經(jīng)側(cè)窗和前風(fēng)窗傳入艙內(nèi)的聲壓級曲線和總聲壓級曲線。從圖中可以看出,左側(cè)窗是艙內(nèi)噪聲總聲壓級的主要貢獻(xiàn)者。

    圖4 原車乘坐艙內(nèi)聲壓級仿真曲線圖

    圖5 為原車外流場渦心云圖。從圖中可知聲源的位置和強(qiáng)度,主要聲源包括后視鏡尾渦、落水槽尾渦、雨刮尾渦和A柱脫落渦。

    圖5 原車外流場渦心云圖

    圖6 為這些聲源在側(cè)窗和前風(fēng)窗玻璃上壓力脈動云圖,側(cè)窗湍流壓力脈動源于后視鏡三角臺階尾渦、后視鏡支架尾渦和A柱尾渦(圖6(a))。側(cè)窗輻射聲波壓力脈動源于后視鏡三角臺階尾渦和后視鏡支架尾渦(圖6(b))。雨刮和落水槽引起的湍流壓力脈動作用在前風(fēng)窗玻璃上(圖6(c)),落水槽尾渦撞擊在A柱上,在前風(fēng)窗玻璃上產(chǎn)生輻射聲波(圖6(d))。

    圖6 側(cè)窗和前風(fēng)窗玻璃壓力脈動云圖

    4 氣動噪聲改進(jìn)方案

    通過對原車風(fēng)噪仿真結(jié)果的分析,從聲源和聲傳播兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn):(1)降低聲源,減小壓力脈動,提高流動貼體性;(2)使聲源遠(yuǎn)離聲傳播的衰減較弱部件(如側(cè)窗玻璃)。提出了兩個(gè)改進(jìn)方案,方案1對后視鏡做了改進(jìn),方案2在方案1的基礎(chǔ)上對雨刮做了隱藏,即將雨刮移至風(fēng)窗玻璃下邊緣的下面,如圖7(d)所示,使其不阻擋從發(fā)動機(jī)罩流向風(fēng)窗玻璃的氣流。

    圖7 原狀態(tài)與改進(jìn)方案對比圖

    5 改進(jìn)后的仿真與試驗(yàn)的對比分析

    5.1 改進(jìn)后的仿真結(jié)果分析

    方案1對后視鏡支架和本體做了貼體性設(shè)計(jì),支架減薄并下移等,仿真結(jié)果如圖8(a)和圖8(b)所示。對比圖6(a)和圖6(b)可知,湍流壓力脈動和聲波壓力脈動在強(qiáng)度上和分布區(qū)域上均有減小。

    圖8 改進(jìn)后的仿真結(jié)果

    方案2避免了雨刮對來流的阻擋,使落水槽附近流動更平順,減少落水槽分流對后視鏡區(qū)域的作用,降低側(cè)窗玻璃的聲壓級,結(jié)果如圖8(c)和圖8(d)所示。

    5.2 試驗(yàn)說明

    通過道路試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,測試儀器為西門子LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),在駕駛員頭部附近布置傳聲器,如圖9所示。

    圖9 路試測試相關(guān)圖

    5.3 試驗(yàn)與仿真對比分析

    圖10 為原車和改進(jìn)后駕駛員頭部區(qū)域聲壓級曲線的路試和仿真對比。從圖中可得如下結(jié)果。

    (1)在整體趨勢上,各數(shù)據(jù)結(jié)果是一致的,路試低頻段的出現(xiàn)起伏是干擾噪聲源的影響。

    (2)從仿真聲壓級曲線可知,與原車相比,方案1全頻段都有改進(jìn),中高頻段的聲壓級降低了1dB(A),部分頻段高達(dá)3~4dB(A)。方案2改進(jìn)效果更好,部分頻段聲壓級的降幅達(dá)5.6dB(A)??偮晧杭壍慕捣?,方案1為1.5dB(A),方案2為1.8dB(A)。

    (3)從路試結(jié)果可知,低頻段聲壓級沒有改進(jìn),這是因?yàn)槁吩嚂r(shí)存在發(fā)動機(jī)噪聲等干擾噪聲,這些干擾噪聲主要分布在中低頻段,且其強(qiáng)度遠(yuǎn)高于風(fēng)噪,測試設(shè)備記錄聲壓級為干擾噪聲源,風(fēng)噪改進(jìn)效果在中低頻段無法體現(xiàn)。在高頻段有較大的改善,部分高頻段改進(jìn)方案1的聲壓級比原狀態(tài)降低了3.99dB(A),方案2降低了5.1dB(A)??偮晧杭壏謩e降低0.2和0.7dB(A)。

    (4)125-2 500Hz頻段,3種狀況下仿真得到的聲壓級明顯低于試驗(yàn)值,偏差在8~14dB(A)之間,這個(gè)頻段路試聲壓級主要來自于發(fā)動機(jī)噪聲等干擾聲源。

    (5)2 500-6 300Hz頻段干擾源較少,仿真與試驗(yàn)的偏差在5dB(A)以內(nèi)。仿真結(jié)果仍低于試驗(yàn)結(jié)果,其可能的原因有:密封問題,數(shù)值仿真為完全密封下的結(jié)果,路試實(shí)車存在著密封不良導(dǎo)致的聲泄漏,提高了艙內(nèi)聲壓級;工況不同,數(shù)值仿真是“車不動,空氣流過”,路試時(shí),外部風(fēng)環(huán)境不穩(wěn)定,無法精確定速巡航,車行顛簸等使壓力脈動較大,提高了聲壓級;發(fā)動機(jī)噪聲等干擾源在高頻段還有影響;路試側(cè)窗玻璃厚度小于仿真的玻璃厚度所致。路試聲壓級曲線顯示,其吻合頻率在4 600Hz左右,而數(shù)值模擬得到的聲壓級曲線顯示,吻合頻率在4 000Hz左右,說明路試車側(cè)風(fēng)窗玻璃的厚度可能小于數(shù)值模擬的玻璃厚度,玻璃較薄,其隔音效果較差,引起聲壓級較高。

    (6)6 300Hz以上的頻段,在工程上實(shí)際意義不大,不予討論。

    6 結(jié)論

    對原車進(jìn)行風(fēng)噪仿真,在分析流場和聲場結(jié)果基礎(chǔ)上,以降低乘坐艙內(nèi)噪聲為目標(biāo),從聲源降低和傳遞路徑控制兩個(gè)方面出發(fā),提出兩種改進(jìn)方案,分別進(jìn)行仿真和道路試驗(yàn),可得到結(jié)論如下:

    (1)仿真和試驗(yàn)結(jié)果基本一致,在高頻段偏差較小,說明仿真結(jié)果是有效的;

    圖10 仿真與路試測試聲壓級曲線對比圖

    (2)從仿真結(jié)果可知,按方案1改進(jìn)后,后視鏡的總聲壓級降低1.5dB(A),方案2總聲壓級降低1.8dB(A),從路試看,中低頻段干擾噪聲源影響較大,方案1聲壓級降低0.2dB(A),方案2聲壓級降低0.7dB(A),總體上降噪明顯,說明改進(jìn)方案可行;

    (3)仿真結(jié)果顯示,部分高頻段降噪最大達(dá)到5.6dB(A),路試結(jié)果顯示高頻段艙內(nèi)降噪最大達(dá)到5.1dB(A),有效減低了風(fēng)噪;

    (4)采用CFD/SEA進(jìn)行整車風(fēng)噪仿真是可行的,改進(jìn)方案從風(fēng)噪機(jī)理出發(fā)降低艙內(nèi)噪聲的方法是有效的。

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