基于卡車天窗的風(fēng)振仿真與試驗(yàn)研究

馬志強(qiáng) 陸增俊

摘 要：隨著汽車工業(yè)的發(fā)展及汽車用戶的年輕化，人們對汽車的感官質(zhì)量及駕乘舒適性要求越來越挑剔。汽車高速行駛過程中風(fēng)振噪聲大小是衡量卡產(chǎn)品品質(zhì)最重要的指標(biāo)之一，也是用戶購買汽車的重要參考因素，因此控制汽車風(fēng)振噪聲具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義;本文著重就某重型卡車天窗在行車過程中的風(fēng)振噪聲情況及產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行一系列探討和分析。

關(guān)鍵詞：天窗;卡車;風(fēng)振;仿真;原因

1 引言

為了深入了解某重型卡車的電動天窗對整車風(fēng)阻及風(fēng)振性能的影響以及產(chǎn)生的機(jī)理，通過對該卡車開展整車風(fēng)振測試及風(fēng)振、風(fēng)阻仿真分析工作，從實(shí)車測試和仿真分析數(shù)據(jù)中量化出卡車天窗在不同工況情況下對整車風(fēng)振噪聲的貢獻(xiàn)度和產(chǎn)生的影響，并根據(jù)產(chǎn)生的機(jī)理和規(guī)避氣動噪聲的方法，為相關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)提供理論參考依據(jù)。

2 仿真分析模型建立

如下圖是采用仿真分析軟件按如下步驟建立仿真模型;風(fēng)振對細(xì)節(jié)保留要求很高，邊界層最少需劃分六層，保留越多設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)邊界層網(wǎng)格在縫隙處易重疊、扭曲變形，網(wǎng)格質(zhì)量下降，由于風(fēng)振仿真模型對網(wǎng)格要求極高，為加快分析進(jìn)程需盡可能簡化，否則瞬態(tài)計(jì)算無法進(jìn)行，見圖1。

3 仿真輸入邊界設(shè)置

仿真邊界條件設(shè)置過程中需結(jié)合實(shí)車行車風(fēng)振較明顯車速值和共振頻率來設(shè)定，實(shí)測表明風(fēng)振在50-70km/h車速很明顯，因此仿真車速按50km/h、60km/h、70km/h;實(shí)測共振頻率約12Hz即渦旋脫落周期T約0.083s，為精確捕捉漩渦脫落，步長最少1/8T，即0.001S;為保險(xiǎn)起見本次步長設(shè)置1/16T，即0.0005S，見表1。

4 仿真方案

根據(jù)仿真計(jì)算要求，計(jì)算天窗起翹到最高點(diǎn)以及滑到最后點(diǎn)兩種方案，并同時(shí)對比有無導(dǎo)流罩狀態(tài)和增加拆掉天窗的方案，以便進(jìn)行綜合對比，見圖2。

5 仿真分析結(jié)果

5.1 風(fēng)振計(jì)算結(jié)果匯總：頻率（見圖3）

小結(jié)：駕駛室內(nèi)各點(diǎn)風(fēng)振頻率及聲壓級完全重合

5.2 風(fēng)振仿真分析對比及結(jié)論（見圖4）：

結(jié)論：

①天窗拆除，均有風(fēng)振現(xiàn)象，無導(dǎo)流罩風(fēng)振更大;

②天窗起翹：均無風(fēng)振現(xiàn)象;

③天窗外滑：有導(dǎo)流罩仿真與實(shí)測相符均無風(fēng)振現(xiàn)象，無導(dǎo)流罩仿真有風(fēng)振與實(shí)測不符;

④總的來說仿真與實(shí)測趨勢基本一致、仿真聲壓級基本都大于實(shí)測，共振頻率都大于實(shí)測。

6 卡車天窗風(fēng)振產(chǎn)生的原因分析

6.1 拆除天窗方案風(fēng)振產(chǎn)生原因：

6.1.1 氣流在駕駛室前額分離導(dǎo)致剪切邊界層不穩(wěn)定產(chǎn)生尾渦，尾渦向后運(yùn)動逐漸變大，當(dāng)尾渦掃中天窗下游邊界時(shí)便會破碎產(chǎn)生壓力波動，如渦的脫落頻率與駕駛室聲腔模態(tài)吻合則會產(chǎn)生強(qiáng)烈震撼即風(fēng)振。

6.1.2 有導(dǎo)流罩，氣流并不緊貼駕駛室頂部流動，只有渦的底部掃中天窗下游邊界，壓力波動相對較小從而產(chǎn)生的風(fēng)振也相對較小，見圖5。

6.2 天窗起翹到最高點(diǎn)方案風(fēng)振產(chǎn)生原因：

6.2.1 由于天窗翹起是前端壓緊后端翹起，駕駛室前額脫落的渦無下游邊界直接撞擊破碎，因此無論是否有導(dǎo)流罩均不會有強(qiáng)烈的風(fēng)振現(xiàn)象，見圖6。

6.3 拆除外劃到最后點(diǎn)風(fēng)振產(chǎn)生原因：

6.3.1 有導(dǎo)流罩時(shí)，氣流流動偏離駕駛室頂部，駕駛室前額分離渦沒有直接撞擊天窗，無明顯風(fēng)振現(xiàn)象

6.3.2 無導(dǎo)流罩時(shí)，氣流緊貼駕駛室頂部流動，駕駛室前額分離渦掃中天窗前端導(dǎo)致產(chǎn)生風(fēng)振現(xiàn)象;

7 卡車天窗風(fēng)振仿真分析總結(jié)

7.1 天窗有風(fēng)振，主要是氣流在駕駛室前額分離產(chǎn)生的尾渦掃中天窗下游邊界所致;

7.2 拆除導(dǎo)流罩氣流較貼近駕駛室頂蓋，尾渦直接撞擊天窗下游邊界，因此風(fēng)振變大;

7.3 天窗翹起，天窗前端與駕駛室上有邊界緊貼，前額脫落的渦無法直接撞破，因此無風(fēng)振現(xiàn)象;

8 卡車天窗風(fēng)振解決思路

8.1 將氣流導(dǎo)離流駕駛室頂部（但理論風(fēng)阻變大），不讓尾渦掃中天窗下游邊界層;解決卡車天窗風(fēng)振的思路有重新優(yōu)化駕駛室前額型面、調(diào)整遮陽罩安裝角度及優(yōu)化導(dǎo)流罩導(dǎo)風(fēng)趨勢等，見圖8。

8.2 在駕駛室前額建立穩(wěn)流器擾動氣流，不讓其建立起明顯的剪切層（或提前將渦刺破）也是防止天窗風(fēng)振可行辦法。

9 結(jié)語

本文通過對某重型卡車的天窗風(fēng)振的仿真分析與試驗(yàn)研究，得出整車在不同車速情況下天窗風(fēng)振產(chǎn)生的機(jī)理，并根據(jù)產(chǎn)生的機(jī)理提取影響天窗共振的主要因素，從整車空氣動力學(xué)角度出發(fā)，提出防減小卡車天窗風(fēng)振的建議，為整車開發(fā)提供理論的參考依據(jù)。

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