馬利宇 張小矛 鄔文睿 陳 明 徐 政 牛志鵬

(1.上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804；2. 上海市汽車(chē)動(dòng)力總成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

0 前言

關(guān)門(mén)耳壓感是由車(chē)內(nèi)瞬態(tài)壓力波動(dòng)引起的。在車(chē)門(mén)關(guān)閉的過(guò)程中，由于大量氣體突然涌入乘員艙導(dǎo)致艙內(nèi)氣壓突增，人耳鼓膜兩側(cè)的壓力差會(huì)使鼓膜變形，此時(shí)乘坐人員會(huì)感到“耳壓感”。關(guān)于流場(chǎng)內(nèi)壓力變化對(duì)人耳舒適度的影響，根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]中的評(píng)估方法可知，人耳舒適度與流場(chǎng)內(nèi)人耳處的瞬態(tài)壓力峰值呈負(fù)相關(guān)。

目前，關(guān)于關(guān)門(mén)過(guò)程中的耳壓感的研究較少。2011年，Y L LEE和S H HWANG[2]使用Fluent軟件的動(dòng)網(wǎng)格功能研究了乘員艙內(nèi)壓力與關(guān)門(mén)角速度、車(chē)身氣體泄漏量的關(guān)系，結(jié)果表明，壓力峰值與關(guān)門(mén)角速度線(xiàn)性相關(guān)，并且可以通過(guò)降低關(guān)門(mén)角速度和增加車(chē)身氣體泄漏量的方法來(lái)降低乘員艙內(nèi)壓力。SHENG L 、CUNFU C 、 XINGJUN H 等[3]研究了某商用車(chē)關(guān)門(mén)過(guò)程中的艙內(nèi)壓力，發(fā)現(xiàn)關(guān)門(mén)速度與等效泄壓孔對(duì)艙內(nèi)壓力影響較大，門(mén)的初始開(kāi)啟角度對(duì)艙內(nèi)壓力基本無(wú)影響。

在上訴仿真研究中，未在計(jì)算中引入泄壓閥模型，與真實(shí)車(chē)況有所差別，無(wú)法在設(shè)計(jì)早期評(píng)估泄壓閥泄壓能力。本文以某SUV為研究對(duì)象，在計(jì)算中引入泄壓閥模型，基于STAR-CCM+軟件中的morpher功能，研究了關(guān)門(mén)角速度、泄壓閥大小、同側(cè)玻璃下降，以及車(chē)門(mén)面積與乘員艙體積比值對(duì)艙內(nèi)流場(chǎng)瞬態(tài)壓力的影響。

1 模型建立及數(shù)值仿真

關(guān)門(mén)耳壓感評(píng)估目前主要依賴(lài)試驗(yàn)測(cè)試，并在實(shí)車(chē)上進(jìn)行評(píng)估。隨著計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的發(fā)展，數(shù)值仿真逐漸被應(yīng)用到早期設(shè)計(jì)中。在車(chē)身設(shè)計(jì)初期，通過(guò)對(duì)關(guān)門(mén)過(guò)程進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)行快速優(yōu)化，可加快開(kāi)發(fā)進(jìn)度。

1.1 數(shù)值的計(jì)算方法

圖1 關(guān)門(mén)耳壓仿真模型

關(guān)門(mén)耳壓仿真采用某SUV為研究模型，如圖1所示。試驗(yàn)中，假定車(chē)輛位于空曠路面，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間同時(shí)保證計(jì)算精度，設(shè)定計(jì)算域?yàn)橐粋€(gè)長(zhǎng)6 m、寬4 m、高2 m的矩形。乘員艙內(nèi)部模型中包括了擋風(fēng)玻璃、方向盤(pán)、座椅等詳細(xì)特征。在保證計(jì)算結(jié)果的前提下，對(duì)局部細(xì)小特征進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。模型采用多面體網(wǎng)格，最小面網(wǎng)格尺寸為4 mm，網(wǎng)格總數(shù)約為100萬(wàn)個(gè)。乘員艙內(nèi)部體積為3.74 m3，左前門(mén)面積為0.85 m2。文獻(xiàn)[3]中顯示門(mén)初始開(kāi)啟角度對(duì)結(jié)果影響很小，本文統(tǒng)一設(shè)定為40°。

將計(jì)算域外表面設(shè)定為壓力出口，汽車(chē)內(nèi)外表面以及地面設(shè)為壁面邊界，為模擬泄壓閥的泄壓作用，將泄壓閥安裝孔定義為質(zhì)量流量邊界條件，數(shù)值的大小使用自定義函數(shù)，計(jì)算中通過(guò)監(jiān)測(cè)泄壓閥區(qū)域的壓力，可以通過(guò)模擬泄壓閥的空氣流量而獲得，本文泄壓閥輸入特性如圖2所示。

圖2 泄壓閥輸入特性

由于門(mén)的運(yùn)動(dòng)，門(mén)區(qū)域的網(wǎng)格會(huì)出現(xiàn)變形，為保證計(jì)算收斂，計(jì)算采用STAR-CCM+軟件中的morpher[4]功能結(jié)合網(wǎng)格重構(gòu)，保證網(wǎng)格質(zhì)量。當(dāng)門(mén)完全關(guān)閉時(shí)，門(mén)與門(mén)框之間的間隙為0°，數(shù)值上無(wú)法實(shí)現(xiàn)，故設(shè)定門(mén)與門(mén)框間隙為0.5°時(shí)，將間隙邊界條件改為壁面，保證無(wú)氣體從門(mén)框泄漏。

計(jì)算采用K-Omega湍流模型，在門(mén)關(guān)閉過(guò)程中，大量氣體短時(shí)間內(nèi)被壓進(jìn)乘員艙，故氣體采用可壓縮理想氣體假設(shè)。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖3 試驗(yàn)設(shè)備示意圖

為驗(yàn)證本文計(jì)算方法的合理性，并量化壓力值的仿真結(jié)果，對(duì)關(guān)門(mén)過(guò)程中內(nèi)流場(chǎng)壓力值進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)設(shè)備如圖3所示，在左前門(mén)鎖體正對(duì)著的車(chē)門(mén)外板上安裝速度傳感器，后排座椅位置放置壓力傳感器，可以測(cè)得不同關(guān)門(mén)速度下測(cè)點(diǎn)壓力的變化。

表1為關(guān)門(mén)角速度為1.2 rad/s時(shí)，仿真與試驗(yàn)結(jié)果壓力峰值對(duì)比，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，誤差為7%，精度處于可接受范圍以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足工程需求。

表1 測(cè)點(diǎn)壓力峰值對(duì)比

圖4為仿真與試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)瞬態(tài)壓力對(duì)比，可以看出兩者趨勢(shì)與走向一致，故可用本計(jì)算模型進(jìn)行仿真分析。

圖4 仿真與試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)瞬態(tài)壓力的對(duì)比

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 不同關(guān)門(mén)角速度的影響

研究了壓力隨時(shí)間變化與關(guān)門(mén)角速度的關(guān)系，圖5分別為關(guān)門(mén)角速度為1.2 rad/s、1.5 rad/s和3 rad/s時(shí)，測(cè)點(diǎn)的瞬態(tài)壓力變化曲線(xiàn)。當(dāng)關(guān)門(mén)角速度為1.2 rad/s時(shí)，壓力峰值為108 Pa，當(dāng)關(guān)門(mén)角速度上升為3 rad/s時(shí)，壓力峰值快速增長(zhǎng)至194 Pa，結(jié)果增加近80%。主要原因是隨著關(guān)門(mén)角速度的增加，更多的氣體被“推入”乘員艙，導(dǎo)致艙內(nèi)氣體質(zhì)量增多。

圖6示出了壓力峰值與關(guān)門(mén)角速度的關(guān)系。隨著關(guān)門(mén)角速度的增大，峰值壓力接近線(xiàn)性增加。對(duì)于汽車(chē)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)而言，可以通過(guò)增加控制裝置來(lái)限制關(guān)門(mén)角速度，從而獲得較好的乘坐體驗(yàn)。

圖5 不同關(guān)門(mén)角速度測(cè)點(diǎn)瞬態(tài)壓力對(duì)比

圖6 不同關(guān)門(mén)角速度測(cè)點(diǎn)壓力峰值

3.2 不同泄壓閥大小的影響

研究了不同泄壓閥大小對(duì)瞬態(tài)壓力變化的影響，泄壓閥的大小決定了同樣壓力下通過(guò)泄壓閥的氣體流量，不同泄壓閥對(duì)比見(jiàn)圖7。同樣壓力下，通過(guò)泄壓閥B的氣體流量為泄壓閥A的2倍。圖8為關(guān)門(mén)角速度為1.5 rad/s時(shí)，安裝不同泄壓閥后測(cè)點(diǎn)的壓力變化，結(jié)果顯示，將泄壓閥增大后，測(cè)點(diǎn)壓力峰值由138 Pa降低至124 Pa，下降10%，而且壓力恢復(fù)到0的時(shí)間變短。主要原因是泄壓閥增大后，關(guān)門(mén)過(guò)程中通過(guò)泄壓閥流出乘員艙的氣體流量增加，減小了乘員艙內(nèi)氣體總質(zhì)量。

圖7 不同泄壓閥輸入特性對(duì)比

圖8 安裝不同泄壓閥測(cè)點(diǎn)瞬態(tài)壓力對(duì)比

3.3 同側(cè)玻璃下降的影響

在關(guān)門(mén)過(guò)程中，壓力峰值大小與整車(chē)是否可以合理泄壓存在一定關(guān)系，如果將玻璃在關(guān)門(mén)過(guò)程中下降一段距離，等于增加了氣體泄漏路徑。

研究了同側(cè)玻璃下降對(duì)關(guān)門(mén)過(guò)程中內(nèi)流場(chǎng)壓力的影響，如圖9所示，同側(cè)玻璃下降30 mm，壓力峰值由138 Pa降低至52 Pa，下降約62%。

圖9 玻璃下降對(duì)測(cè)點(diǎn)瞬態(tài)壓力影響

但玻璃下降方案會(huì)導(dǎo)致關(guān)門(mén)聲品質(zhì)下降，故是否選用，需進(jìn)一步評(píng)估。

3.4 車(chē)門(mén)面積與乘員艙體積比值的影響

為評(píng)估車(chē)門(mén)面積與乘員艙體積比值對(duì)壓力變化的影響，選取某2座小車(chē)仿真結(jié)果作為對(duì)比。表2為計(jì)算模型參數(shù)，該2座小車(chē)是典型的“小車(chē)大門(mén)”結(jié)構(gòu)，其車(chē)門(mén)面積與乘員艙體積比值為0.47，約為某SUV的2倍。

表2 計(jì)算模型參數(shù)

圖10為兩輛車(chē)仿真結(jié)果的對(duì)比，在關(guān)門(mén)速度一致的前提下，該兩座小車(chē)測(cè)點(diǎn)壓力峰值為322 Pa，約為SUV的2.3倍。

車(chē)門(mén)面積與乘員艙體積比值大的車(chē)更容易存在耳壓感風(fēng)險(xiǎn)，主要原因是在門(mén)關(guān)閉過(guò)程中，一方面車(chē)門(mén)面積大導(dǎo)致更多的氣體被“推入”乘員艙，因此艙內(nèi)氣體質(zhì)量增加，另一方面乘員艙體積較小導(dǎo)致氣體受壓縮程度更大。

4 結(jié)論

采用三維CFD方法計(jì)算了關(guān)門(mén)過(guò)程中乘員艙瞬態(tài)壓力的變化，結(jié)論如下：

(1)關(guān)門(mén)角速度強(qiáng)烈影響著壓力峰值的大小，且隨著關(guān)門(mén)角速度的增大，峰值壓力近乎呈線(xiàn)性增加。因此，降低關(guān)門(mén)角速度是降低壓力峰值，從而降低關(guān)門(mén)耳壓感的有效手段。

(2)泄壓閥泄壓能力增加一倍時(shí)，測(cè)點(diǎn)壓力峰值下降10%，因此，合理選擇泄壓閥大小可以降低耳壓感。

(3)玻璃下降方案可有效降低壓力峰值大小，但會(huì)導(dǎo)致關(guān)門(mén)聲品質(zhì)下降。

(4)車(chē)門(mén)面積與乘員艙體積比值大的車(chē)更容易有耳壓感風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，車(chē)門(mén)面積、乘員艙體積的大小和關(guān)門(mén)速度決定了關(guān)門(mén)過(guò)程中艙內(nèi)流場(chǎng)壓力峰值，進(jìn)一步?jīng)Q定了是否存在耳壓感，而采用大泄壓閥和玻璃下降的手段本質(zhì)上都是增大了氣體泄漏的途徑，建議在整車(chē)設(shè)計(jì)中，根據(jù)車(chē)門(mén)面積與乘員艙體積比值和關(guān)門(mén)速度對(duì)應(yīng)選擇大小合適的泄壓閥，以及判斷是否需要采用玻璃下降這種方法進(jìn)行泄壓。