模拟跑车侧门和后视镜上的风荷载

2021年 5月 27日

当你准备购买新车时,关上车门时体验到的声音和感觉会对我们的第一印象产生微妙而重要的影响。车门对振动很敏感,当关闭不同汽车的车门时,因它们设计和结构的不同,会发出不同的声音。车门的减震性对于驾驶体验至关重要。当汽车高速行驶时,气流流动可能会引起车门和侧窗的振动,此振动可能会传播到乘客座舱,甚至装饰板和其他内部零件,从而产生令人讨厌的噪音。有些人在开车时,可能会因为松弛的皮带系在 B 柱上振动所发出的噪音而感到烦躁。我无法想象如果内饰板开始发出噪音会发生什么!

高速振动设计的一个重要部分是汽车的空气动力学。通过建模和仿真可以以合理的精度评估汽车周围的流场和压力场。流动施加的波动压力可用作结构分析中的表面载荷。在这种情况下,评估空气在高速下施加的力很重要,不仅要考虑大小,还要考虑频率。

在这篇博客文章中,我们将研究如何使用大涡模拟(LES)模型来预测高速气流在跑车车门和侧镜上产生的瞬态力。然后将这些力作为结构分析中的载荷。

为什么要预测跑车而不是普通汽车?因为这样更好玩!因为我可能永远不会拥有一辆超级跑车,所以给一辆超级跑车建模可能会让我获得一段时间的满足感……

一张红色兰博基尼 Miura 的照片,背景是其他跑车和超级跑车
兰博基尼 Miura® 被认为是第一辆超级跑车。它是从1966—1973 年生产的。这是 1967 年的 P400 模型。在背景右侧,我们可以看到 1972 年发布的另一款经典超级跑车 Ferrari® 512 BB 的尾部。背景左侧是 De Tomaso Mangusta® 的尾部,带有经典的翼式后窗,也是 1967 年发布的。 图片来自 joergens.mi 自己的作品。通过Wikimedia Commons 获得CC BY-SA 3.0许可。

编者按:兰博基尼和 Miura 是兰博基尼的注册商标,Tomaso Mangusta 是 De Tomaso Automobili 公司的注册商标。Ferrari 是 法拉利 的注册商标。本文对于这些商标的所有者,不包含任何赞助、支持、从属关系或其他联系。

大涡模拟模型

大涡模拟(LES)模型的优点是它能准确地评估流量随时间的波动。这也意味着它可以评估作为时间函数的车身表面上的力。我们希望在车门和后视镜的结构分析中使用这些随时间波动的力作为载荷,然后通过使用快速傅里叶变换将这些载荷转换到频域。这将导致通过观察载荷激发的特征模态来评估车门和后视镜振动的风险。

车门和后视镜周围的流场取决于汽车的形状。为了获得准确的流场,我们需要对整个汽车进行建模。另外,整车建模更好玩,如果我们能承担计算成本的话。

流体流动分析有些复杂,因为我们需要为 LES 模型寻找合适的初始条件。这涉及求解势流的拉普拉斯方程,使用势流的解作为 雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)模拟的初始条件,然后依次使用 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。我们不想定义一个单独的 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。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。

用于模拟跑车风载荷的模型树的屏幕截图,其中注释了不同的研究
流体流动问题的模型树。

汽车周围空气区域的边界框必须足够大,以便我们有希望了解一些关于边界处的流动或压力的情况,从而确定边界条件。这反过来又决定了网格的外观应该是什么样子的。我们需要一个汽车周围的边界层。我们还必须允许增加一些汽车外部的单元,来减少问题的大小。网格如下所示。

橙色和黄色三角形中汽车周围空气域中的网格的可视化,插图放大视图放大到汽车附近
空气域中的网格,这个网格更接近汽车的放大倍数。在汽车表面,会自动创建边界层网格。

下图显示了汽车后面的流动。我们可以看到流动轨迹到达汽车后面很远的地方。这条尾迹路径必须变得更平顺和更平滑,以便在汽车后面设置边界条件,因此汽车后面的空气域很长。

仿真结果在一个细长的灰色矩形中显示了汽车模型后面的流场,流线在彩虹色表中可视化
以 180km/h 速度行驶的汽车后面的流场扰动会到达汽车后面很远的地方,因此需要很长的空气区域。

镜子周围的区域和车门的上部,即侧窗受到最高的相对流量。下图显示了前后的流动,侧门周围的区域被放大了。该模型计算出了美国产轿车的阻力系数为0.31,这是一个很低但更接近现实的数值。

显示跑车周围流场的 4 个模拟结果的拼贴画,放大了两个视图以显示侧门周围的流场
汽车周围的流场和侧门附近的放大图。

使用单向流-固耦合研究的结构模型

我们可以利用流动施加的力在时域中运行第一个初始测试示例。除了让我们掌握镜子上预期的变形之外,它还应该会产生一些很酷的动画。下面,我们可以看到流动是如何使镜子变形的。出于可视化目的,变形被放大了 50 倍。

 

流动引起的镜子振动。请注意,变形被放大了 50 倍,否则我们就看不到镜子是如何移动的。

然而,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,为了给出可靠的结果,必须在很长的模拟时间内进行良好的时域分析,才能给出可靠的结果。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,以便了解门内不同细节是如何振动的。我们可以这样做,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。此时,我们使用0.7s 的时间范围进行流动模拟。最后 0.1 秒的间隔(从 0.6 到 0.7)表明流动已经稳定。这是在以 180km/h 的速度行驶 35m 之后,相当于8节车厢的长度。因为我们现在采样的周期是 0.1s,所以频域的分辨率将是 10Hz。我们可以使用更长的采样间隔来提高频率分辨率。侧窗中的总力位于 90Hz 和 160Hz 处显示的尖峰。侧镜在 50Hz 时有一个主要尖峰,在 70-90Hz 范围内有一个平稳段。如果频谱中的峰值与结构的重要固有频率一致,则存在因共振而放大的风险。

绘制跑车侧窗和后视镜上的总力的折线图,分别以蓝色和绿色线条显示
在这幅图中,我们可以看到侧窗和镜子上的总力是频率的函数。注意,不包括平均流量的静态载荷。

下图显示了将波动力转移到频域,并执行结构分析以找到响应的模型树。

用于在频域中对跑车侧门和后视镜进行结构分析的模型树的屏幕截图
用于频域结构分析的模型树。研究 4 将风荷载从时域转移到频域。研究 5 利用来自风载荷的激励运行频域研究。然后,在最后一个研究步骤中,将解决方案转移回时域。

一旦我们将流体中的应力转换到频域,就可以将它们作为载荷施加在门上和镜子上。在此分析中,我们可以使用侧门的完整几何形状,但不必考虑汽车的其余部分。下图显示了一个有趣的激励模式,频率为 90Hz。我们可以看到侧窗在边缘有一个节点振动,侧撞门梁上方的门侧上部有一个节点振动。这种模式可能很难完全抑制。这意味着我们可能会听到这个频率的风。

仿真结果绘制了跑车侧门在 90Hz 时的频率响应,在彩虹色表中可视化
对 90Hz 流体载荷的响应。整个侧窗和侧门在其大部分表面上几乎均匀振动。

另一个有趣的模式出现在 50Hz。在这里,门的内部结构和侧镜都响应外表面上的流体载荷而振动。但是,我们希望连接到金属上的装饰板可以帮助抑制内部结构的振动。

Simulation results plotting the frequency response of the interior of a sports car door at 50 Hz, visualized in a rainbow color table.
A visualization of the frequency response of a sports car's side door at 50 Hz, modeled in COMSOL Multiphysics.

50Hz 的响应表明,侧门的内部金属结构和侧镜都在振动。这可能会受由连接到这个表面的装饰板的影响。

最糟糕的颤动噪音发生在我们不得不轻轻摇下车窗的时候。窗口的上边缘不受约束,特征模式显示整个侧窗摆动。侧窗上缘的振动频率为20 Hz。

车窗破裂时车门在 20Hz 时的频率响应图,显示车窗上边缘的红色振动
20Hz 的响应引起侧窗后上角的振动。

跑车模型风荷载的扩展

本文模拟的车身有几处简化。例如,车身的不同部分被认为是完美组装的,不同车身板件之间没有间隙或错位。实际上,真正的超级跑车的车身在车身面板和车门之间充满了大约一 mm 数量级的小间隙。这些间隙可能会引起一些额外的湍流。另一个简化是假设车轮在 CFD 模型中不旋转,这也应该会引起湍流。结构分析假设车门被固定在车架上,没有位移。实际上,汽车的车架也会振动,这主要是由于路面的不平度会通过传动系统和汽车悬挂传播到车架上,然后再到车门。

尽管进行了简化,此模型仍然非常复杂,可以很好地用作更精确模型的起点。该模型的扩展可以包括挡风玻璃和后窗,并对作为主要噪声源的窗户振动进行完整的分析。此外,我们可以使用流固耦合研究计算的振动作为车厢声学研究的边界条件,包括车厢的详细几何形状,例如车门饰板、座椅、地毯和仪表等。这些我们将在下一篇博客文章中说明,敬请期待!

下一步

想尝试对汽车后视镜和车门进行大涡模拟(LES)研究吗?请单击下面的按钮访问模型文件。


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