模拟跑车侧门和后视镜上的风载荷

当你在购买新车时，关上车门所体验到的声音和感觉可能会影响你对这辆车的第一印象。车门对振动的敏感度取决于它的设计和结构，因此关闭不同汽车的车门会发出不同的声音。减少车门的振动对驾驶体验至关重要。当汽车高速行驶时，气流流动会引起车门和侧窗振动。这些振动可能会传递到乘客座位，甚至装饰板和其他内饰部件上，产生令人讨厌的噪声。有些人在开车时，可能会因为B 柱上松弛的皮带振动发出的噪声而感到烦躁，如果内饰板开始发出噪声则更加难以忍受！

汽车的空气动力学是高速振动设计一个重要部分。建模和仿真可以准确地评估汽车周围的流场和压力场。流动产生的波动压力可看作结构分析中的表面载荷。在这种情况下，评估高速流动的空气产生的力很重要，不仅要考虑大小，还要考虑频率。

这篇博客，我们将研究如何使用大涡模拟(LES)模型预测高速气流在跑车侧车门和后视镜上产生的瞬态力，然后将这些力用作结构分析中的载荷。

为什么要预测跑车而不是普通汽车？因为这样更有趣！我可能永远不会拥有一辆超级跑车，但模拟一辆超级跑车可能会让我获得一段时间的满足感……

兰博基尼 Miura® 被认为是第一款超级跑车，它生产于1966—1973 年。图片中这辆兰博基尼是 1967 P400 模型。在右侧背景中，可以看到 1972 年发布的另一款经典超级跑车 Ferrari® 512 BB 的尾部。左侧背景是带经典翼式后窗的 De Tomaso Mangusta® 的尾部，它也是 1967 年发布的。 图片来自 joergens.mi 的作品，通过 Wikimedia Commons 共享，获 CC BY-SA 3.0 许可。

编者按:兰博基尼和 Miura 是Automibili Lamborghini S.p.A.的注册商标，Tomaso Mangusta 是 De Tomaso Automobili 公司的注册商标。Ferrari 是Ferrari S.P.A.的注册商标。本文与这些商标的所有者不存在任何赞助、支持、从属关系或其他联系。

大涡模拟模型

大涡模拟（LES）模型的优势在于，它能准确预估流体流动随时间的波动情况，也就是说它可以预测随时间变化的车身表面所受的力。我们将把随时间波动的力作为车门和后视镜结构分析中的载荷，然后通过快速傅里叶变换将这些载荷转换到频域中。通过观察由这些载荷激发的特征模态，来评估车门和后视镜的振动风险。

车门和后视镜周围的流场取决于汽车的几何形状。为了获得准确的流场，我们需要模拟整个汽车。另外，在不考虑计算成本的情况下，整车模拟会更有趣。

流体流动分析有些复杂，因为需要为 LES 模型寻找合适的初始条件。这包括求解势流的拉普拉斯方程，将势流的解作为雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模拟的初始条件，然后再将RANS 模拟的结果作为LES 模型的初始条件。执行第一步是为了减少 RANS 仿真的迭代次数。在这种情况下，我们不想定义单独的RANS 接口和 LES 接口，因为这会重复自由度的数量。相反，我们将 RANS 接口的属性更改为 LES。虽然这不是在 COMSOL Multiphysics^® 软件中设置模型最简洁的方式，但却是计算成本最低的方式。下图显示了流体流动模型的模型树。

流体流动问题的模型树。

汽车周围空气域的边界框必须足够大，这样才可以了解边界上的流动或压力分布，从而定义边界条件。反过来这又可以确定网格的形状。我们需要在汽车周围设置边界层，同时还必须允许汽车周围外部域单元的增长，以减小问题的规模。划分的网格如下图所示。

空气域中的网格，汽车周围的网格被放大。在汽车表面，将自动创建边界层网格。

下图显示了汽车尾部的空气流动。可以看到流动轨迹一直延伸到汽车尾部很远的地方。必须在这条尾迹路径变得更平滑处设置汽车尾部的边界条件，因此汽车尾部的空气域很长。

以 180 km/h 速度行驶的汽车尾部的流场扰动会到达汽车尾部很远的地方，因此需要设置很长的空气区域。

后视镜周围、车门上半部和侧窗区域受到流动的影响相对最大。下图显示了来自前方和后方的气流，并放大了侧门周围的区域。该模型计算出这辆轿车的阻力系数为 0.19，这个值相对较低，但符合实际情况。

汽车周围的流场和侧门附近的放大图。

使用单向流-固耦合研究进行结构分析

我们可以使用流动产生的力在时域中运行第一个初始测试示例。这不仅可以掌握后视镜上预期的变形，还可以生成一些酷炫的动画。通过下方视频，可以看到流动如何使后视镜变形。出于可视化的目的，我们将变形放大了 50 倍。

流动引起的后视镜振动。请注意，这里的变形被放大了 50 倍，否则无法看到后视镜如何振动。

在时域分析中，假设初始条件为零。此外，由于载荷的随机特性，必须在很长的模拟时间内进行良好的时域分析，才能得到可靠的结果。因此我们需要使用更复杂的方法。

下一步是在频域中定义一个结构模型，以便观察车门上不同细节是如何振动的。我们可以首先使用快速傅立叶变换将流动引起的波动力从时域转移到频域。这个示例中，我们使用的流动模拟时间范围为 0.7 s。从 0.6 s 到 0.7 s 的最后 0.1 s 区间显示流动已经趋于稳定。这是在以 180 km/h 的速度行驶 35 m 之后达到的状态，相当于8个车身长度。由于采样间隔是 0.1 s，因此频域的分辨率为 10Hz。我们可以使用更长的采样间隔来提高频率分辨率。侧窗的总力在 90 Hz 和 160 Hz 处出现峰值。后视镜在 50 Hz 时出现一个主要峰值，在 70-90 Hz 频段保持平稳。如果频谱中的峰值与结构的重要固有频率一致，可能会因为共振而增大风险。

在这幅图中，可以看到侧窗和后视镜上的总力随频率的变化。请注意，不包括平均流动产生的静载荷。

下图的模型树显示了将波动的力转换到频域并运行结构分析，以查看响应。

用于频域结构分析的模型树。研究 4 将风荷载从时域转换到频域。研究 5 使用风载荷产生的激励运行频域研究。在最后一个研究步骤中，将解转换回时域。

将流体中的应力转换到频域后，就可以将其作为载荷施加在侧门和后视镜上。在此分析中，我们可以使用侧门的完整几何结构，但不必考虑汽车的其余结构。下图显示了一个频率为 90 Hz 的激励模式。可以看到，侧窗在车边缘外出现节点振动，而车门的上半部分在侧门防撞梁和门框上出现节点振动。这种模式可能很难完全抑制，因此可能会听到这个频率的风声。

90 Hz下气流载荷产生的响应。整个侧窗和侧门的大部分表面几乎为均匀振动。

另一个有趣的模式出现在 50 Hz。在这个频率下，车门的内部结构和后视镜都对外表面的流动载荷产生响应而振动。但是，我们希望连接在金属表面的装饰板可以帮助抑制内部结构的振动。

50Hz下产生的响应表明，侧门的内部金属结构和后视镜都在振动。这种振动可能会被连接到表面的装饰板所抑制。

最严重的振动噪声发生在打开车窗时，此时车窗的上边缘不受约束，特征模态显示整个侧窗都会摆动。侧窗上边缘的振动频率发生在20 Hz。

20 Hz下产生的响应引起侧窗后上角振动。

对跑车模型风载的扩展

本文模拟的车身有几处简化。例如，假设车身的不同部分被完美低组装在一起，不同车身面板件之间没有间隙或错位。实际上，真正的超级跑车的车身面板和车门之间有大约 1 毫米的微小间隙。这些间隙可能会引起一些额外的湍流。另一个简化是假设CFD 模型中的车轮不旋转，但实际车轮的旋转也会引起湍流。结构分析假设车门被固定在车架上，没有位移。但汽车车架也会振动，这主要是由于路面不平整会通过传动系统和汽车悬架传递到车架上，然后再传递到车门。
虽然我们进行了简化，但这个模型仍然非常复杂，可以很好地作为更精准模型的起点。对该模型进行扩展，可以包括前挡风玻璃和后窗，并对车窗的振动进行完整分析，因为车窗是噪声的主要来源。此外，可以将流-固耦合研究计算出的振动作为车厢声学研究的边界条件，包括车门饰板、座椅、地毯和仪表等车厢的详细几何结构。不过，这将是下一篇博客的主题了，敬请期待！

下一步

你想亲自动手尝试模拟汽车后视镜和侧车门的大涡模拟（LES）研究吗？请单击下方按钮，访问模型文件。