汽車外后視鏡風(fēng)致振機(jī)理與特性

蘭巍 和生泰 胡興軍 郭峰 王澤偉

摘 ? 要：使用DrivAer簡(jiǎn)化模型，采用雙向流固耦合方法對(duì)外后視鏡的風(fēng)致振特性進(jìn)行研究 ，在STAR-CCM+中進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算、采用Abaqus進(jìn)行固體仿真，在協(xié)同仿真平臺(tái)交換數(shù)據(jù). 仿真對(duì)比研究了后視鏡固定與振動(dòng)以及有無側(cè)風(fēng)時(shí)的尾流結(jié)構(gòu)和振動(dòng)特性. 研究結(jié)果表明，受車身影響，后視鏡邊緣脫落的旋渦在尾流中未充分發(fā)展 ，渦激振動(dòng)作用很小，鏡面振動(dòng)主要受風(fēng)速主導(dǎo)，振動(dòng)頻率鎖定于27.8 Hz不變，振幅隨風(fēng)速的提高而增強(qiáng);當(dāng)存在側(cè)風(fēng)時(shí)，流場(chǎng)對(duì)后視鏡的作用力紊亂，低頻區(qū)不再顯示主頻作用，且鏡面振動(dòng)加劇，此時(shí)渦脫在尾流中充分發(fā)展，恢復(fù)了較強(qiáng)的約164.5 Hz的高頻渦激振動(dòng)作用.

關(guān)鍵詞：外后視鏡;風(fēng)振特性;雙向流固耦合;汽車空氣動(dòng)力學(xué);流場(chǎng);車輛工程

中圖分類號(hào)：U461.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Wind-induced Vibration Mechanism and

Characteristics of Automobile Exterior Mirrors

LAN Wei，HE Shengtai，HU Xingjun？覮，GUO Feng，WANG Zewei

（State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control，Jilin University，Changchun ?130022，China）

Abstract：The wind-induced vibration of the car rearview mirror blurs the image， which brings great danger to driving safety. The method of two-way FSI（Fluid-Structure Interaction）was applied to the numerical simulation on the vibration problem of rearview mirror caused by airflow around the Driver model. STAR-CCM+ and Abaqus were used for co-simulation. According to the comparison and analysis of the vibration characteristics of fixed rearview mirror as well as the rearview mirror with wind-induced vibration at different flow velocity and under the condition of side wind， the conclusion can be drawn as follows： as it is affected by the vehicle body， the vortex falling from the edge of mirror is difficult to develop in the wake， which limits the vortex-induced vibration. The mirror vibration is dominated by the wind speed， the vibration frequency is maintained at 27.8 Hz，and the higher wind speed results in the larger amplitude. When there is crosswind，force of the flow field on the rearview mirror is disordered， dominant frequency disappears in the low frequency area， and the vibration intensifies. In this situation， the vortex is fully developed in the wake， which induces the strong vibration of about 164.5 Hz.

Key words：exterior rear view mirror;wind vibration characteristics;bidirectional ?fluid-solid interaction;automobile aerodynamics;flow field;vehicle engineering

汽車行駛時(shí)氣流在后視鏡殼邊緣處發(fā)生分離后形成尾流，由于尾流區(qū)卷渦的不斷形成和脫落，對(duì)后視鏡形成了不斷變化的氣動(dòng)力，且后視鏡尾流導(dǎo)致了后視鏡鏡面壓力分布不均，這是造成后視鏡振動(dòng)和噪聲的原因之一. 另外，在整車環(huán)境下，外后視鏡尾流受車身以及A柱的影響，流場(chǎng)及其作用力變化復(fù)雜，尤其存在側(cè)風(fēng)時(shí)，由于A柱區(qū)氣流分離和再附著點(diǎn)不斷變化而使后視鏡受力也更加復(fù)雜.

在某些振動(dòng)頻率下，人的大腦很難處理圖像信息，一定頻率的后視鏡振動(dòng)可能造成駕駛員對(duì)圖像產(chǎn)生錯(cuò)覺，且容易引起眼疲勞，威脅到汽車行駛安全性. 國(guó)內(nèi)外研究專家在有關(guān)方面做了許多研究.Watkins[1]通過研究在氣動(dòng)力激勵(lì)下的后視鏡旋轉(zhuǎn)振動(dòng)，得出周圍流場(chǎng)的不斷變化導(dǎo)致了后視鏡的振動(dòng). Alam[2]、Haruna等人[3]發(fā)現(xiàn)后視鏡附近區(qū)域氣流產(chǎn)生的壓力波動(dòng)是后視鏡振動(dòng)的主要原因，且后視鏡位于A柱側(cè)后方的分離區(qū)內(nèi)，存在側(cè)風(fēng)時(shí)，該處的流場(chǎng)情況將變得更為復(fù)雜. Homsi等[4]研究結(jié)果表明，后視鏡尾流區(qū)形成的渦脫落現(xiàn)象是造成氣動(dòng)力波動(dòng)的主要原因，后視鏡外形和氣流方向決定著渦脫頻率. Xiong 等[5]使用有限元方法研究了汽車后視鏡的振動(dòng)，得出了外后視鏡在0～100 Hz時(shí)出現(xiàn)最大振幅，振幅隨車速的增大而增大，由于外后視鏡的前6階模態(tài)頻率均在100 Hz以下，所以在100 Hz以下范圍內(nèi)容易導(dǎo)致后視鏡產(chǎn)生共振. 王靖宇等人[6]研究了單個(gè)后視鏡的風(fēng)致振動(dòng)問題，未考慮車身對(duì)后視鏡尾流和振動(dòng)的影響，與實(shí)際情況有很大差別.

考慮到車輛的對(duì)稱性，本文僅取左后視鏡進(jìn)行振動(dòng)分析，流固耦合交界面為鏡殼內(nèi)外表面和后視鏡鏡面，整車剩余部件均作為剛體處理.

3.2 ? 結(jié)果分析

在不同車速下后視鏡振動(dòng)位移的頻譜圖如圖6所示. 當(dāng)車速V = 20 km/h時(shí)，后視鏡振動(dòng)幅值較小;當(dāng)車速V = 30 km/h時(shí)，振幅有小幅增加;當(dāng)車速V≥70 km/h時(shí)，振幅隨車速的提高呈現(xiàn)幾乎線性的增加;當(dāng)車速V = 180 km/h時(shí)，振幅達(dá)到了最大值，但是振動(dòng)頻率隨車速的提高未出現(xiàn)明顯增加. 在各車速下后視鏡振動(dòng)的收斂性較好.

接下來定量分析不同車速下外后視鏡的振動(dòng)情況. 表3為不同車速下的振動(dòng)參數(shù)，表中fs表示外后視鏡固定時(shí)的漩渦脫落頻率，fs*表示風(fēng)致振外后視鏡的漩渦脫落頻率. 由表3可以看出，在車速V = 30 km/h時(shí)，外后視鏡固定和振動(dòng)時(shí)的漩渦脫落頻率之間的差值增大，振動(dòng)外后視鏡的渦脫頻率較固定外后視鏡的渦脫頻率高很多;在其他車速下外后視鏡固定和振動(dòng)時(shí)的漩渦脫落頻率之間的差值很小.當(dāng)車速V = 20 km/h時(shí)，外后視鏡主要以中高頻27.8 Hz振動(dòng)，同時(shí)存在有5.3 Hz的微弱低頻振動(dòng)，低頻振動(dòng)的振動(dòng)位移幅值約為中高頻振動(dòng)位移幅值的1/6，漩渦脫落頻率與低頻振動(dòng)頻率差值很小，可見低頻振動(dòng)是因漩渦脫落而產(chǎn)生的，此時(shí)產(chǎn)生了微弱的渦激振動(dòng);當(dāng)車速V = 80 km/h時(shí)，后視鏡位移振動(dòng)頻率分裂為中高頻與高頻;當(dāng)車速V ≥ 30 km/h時(shí)，渦脫頻率與后視鏡固有模態(tài)頻率相互錯(cuò)開且二者差值不斷增大，此時(shí)渦脫頻率與振動(dòng)頻率差值也很大，振動(dòng)頻率一直鎖定在27.8 Hz不再發(fā)生變化，振幅隨風(fēng)速的提高呈現(xiàn)接近倍數(shù)的增大，說明此時(shí)旋渦脫落對(duì)振動(dòng)的影響很小，渦激振動(dòng)作用消失，振動(dòng)隨風(fēng)速的提高而增強(qiáng). 王靖宇等人[6]對(duì)單個(gè)后視鏡的研究表明，由于后視鏡尾流不受車身影響，低速時(shí)后視鏡形成強(qiáng)烈渦激振動(dòng)，隨風(fēng)速的提高振動(dòng)先減弱后增強(qiáng). 而整車后視鏡尾流受車身影響，低速時(shí)未形成很強(qiáng)烈渦激振動(dòng)，這與單個(gè)后視鏡的研究結(jié)果不同.

后視鏡的振動(dòng)受升力和阻力影響的同時(shí)也會(huì)受到表面壓力的影響，表面壓力分布反應(yīng)了附面層的分離，壓力分布通過鏡面壓力系數(shù)云圖來表示，圖7 為不同車速下鏡面壓力系數(shù)云圖. 由圖7得如下結(jié)論：在不同車速下后視鏡鏡面壓力均顯示為負(fù)值，表明來流在后視鏡殼邊緣發(fā)生分離后未再次附著，此外在不同車速時(shí)的后視鏡鏡面壓力分布趨勢(shì)相似，均表現(xiàn)為接近車體的內(nèi)側(cè)壓力較大，在后視鏡鏡面的右上方出現(xiàn)壓力的最大值，沿著鏡面的斜對(duì)角壓力逐漸減小，在鏡面的左下方壓力達(dá)到最小值. 鏡面在上述壓力變化過程中，在外后視鏡鏡面的內(nèi)側(cè)與外側(cè)之間形成了一定的壓力差，由于受到了內(nèi)外側(cè)壓力差的作用，鏡面呈現(xiàn)失穩(wěn)的趨勢(shì). 由圖7結(jié)合表3可以得出，隨著風(fēng)速不斷提高，流場(chǎng)在鏡面造成的壓差不斷增大，造成鏡面振動(dòng)強(qiáng)度隨風(fēng)速的提高而不斷增強(qiáng). 故鏡面壓差隨風(fēng)速的變化是后視鏡振動(dòng)受風(fēng)速主導(dǎo)的主要原因.

取與固定后視鏡相同的截面，得到橫縱截面二維速度標(biāo)量云圖如圖8所示. 后視鏡尾流由于受到車身A柱等部件的影響，鏡面附近脫落的旋渦未充分發(fā)展，在尾流中沒有形成規(guī)則、周期性交替脫落的旋渦，限制了渦激振動(dòng)的作用. 上下兩個(gè)拖拽渦區(qū)域有限，拖拽渦尺寸隨著來流速度的提高而逐漸變小，拖拽渦的分界線也越來越清晰，能量逐漸積聚. 與固定后視鏡相比，振動(dòng)后視鏡在風(fēng)速為20 km/h時(shí)后視鏡尾流區(qū)即與車底流場(chǎng)產(chǎn)生明顯分界，而后視鏡固定在風(fēng)速為30 km/h時(shí)才出現(xiàn)明顯分界，且固定與振動(dòng)后視鏡在風(fēng)速30 km/h時(shí)渦脫頻率相差很大，說明低速時(shí)后視鏡的振動(dòng)會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生很大的影響.

4 ? 側(cè)風(fēng)下后視鏡的數(shù)值模擬

采用與無側(cè)風(fēng)時(shí)相同的邊界條件，對(duì)比車輛在12°偏航角與無偏航角時(shí)，速度為140 km/h時(shí)的流場(chǎng)以及后視鏡振動(dòng)情況，確定車身對(duì)后視鏡的影響程度與側(cè)風(fēng)下后視鏡的振動(dòng)變化. 圖9為有側(cè)風(fēng)時(shí)計(jì)算域示意圖.

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圖10為有側(cè)風(fēng)和無側(cè)風(fēng)時(shí)后視鏡的升力系數(shù)頻譜圖. 當(dāng)無偏航角時(shí)后視鏡升力頻譜圖僅顯示為一定的主頻作用;當(dāng)12°偏航角時(shí)后視鏡處于背風(fēng)區(qū)，其在低頻區(qū)受到了紊亂而無規(guī)律的作用力，而在高頻區(qū)受到了一個(gè)高頻作用力，該頻率略大于無偏航角時(shí)的升力主頻，該頻率即為渦脫頻率f * = 164.55 Hz.

圖11和圖12分別為有無側(cè)風(fēng)時(shí)振動(dòng)位移的時(shí)程圖和頻譜圖. 當(dāng)無側(cè)風(fēng)時(shí)，振動(dòng)位移變化幅度小且振動(dòng)逐漸收斂穩(wěn)定，振動(dòng)頻率鎖定在主頻27.8 Hz不變，結(jié)合升力頻譜圖與表3可以看出，渦激振動(dòng)作用很小. 當(dāng)存在側(cè)風(fēng)時(shí)，因后視鏡受到了流場(chǎng)劇烈變化且紊亂的作用力，振動(dòng)的位移變化幅度很大，振幅也很大，低頻區(qū)主頻作用消失，出現(xiàn)了連續(xù)變化的頻率，同時(shí)在高頻f = 164.55 Hz處出現(xiàn)了主頻作用，此振動(dòng)頻率與渦脫頻率相同，說明有側(cè)風(fēng)時(shí)又恢復(fù)了較強(qiáng)的渦激振動(dòng)作用.

圖13為有無側(cè)風(fēng)時(shí)后視鏡速度標(biāo)量云圖（截面相同）. 由圖13可以看出，無側(cè)風(fēng)時(shí)鏡面處的旋渦區(qū)域有限，在尾流中未形成明顯的脫落旋渦，限制了渦激振動(dòng)作用;而有側(cè)風(fēng)時(shí)，受車身影響，旋渦在尾流區(qū)域延伸發(fā)展，形成了規(guī)則交替脫落的明顯旋渦，從而又恢復(fù)了較強(qiáng)的渦激振動(dòng)作用，進(jìn)一步證明了上述結(jié)論.

為了進(jìn)一步研究側(cè)風(fēng)下后視鏡振動(dòng)加劇的原因，作出鏡面壓力系數(shù)云如圖14所示. 由圖14可知，后視鏡鏡面壓力均顯示為負(fù)值，表明來流在后視鏡殼邊緣發(fā)生分離后未再次附著. 有偏航角時(shí)的鏡面壓力變化趨勢(shì)與無偏航角時(shí)相似，接近車體的內(nèi)側(cè)壓力較大，在后視鏡鏡面的右上方出現(xiàn)壓力的最大值，沿著鏡面的斜對(duì)角壓力逐漸減小，在鏡面的左下方壓力達(dá)到最小值. 不同的是有偏航角時(shí)鏡面左下方低壓區(qū)面積更大，壓力值更低，而高壓區(qū)相對(duì)集中. 鏡面壓力沿對(duì)角線變化的過程中，在鏡面兩端形成了較大的壓差，該壓差使后視鏡鏡面失穩(wěn). 有偏航角時(shí)，鏡面所形成的壓差更大，從而產(chǎn)生了更大的振動(dòng)位移.

5 ? 結(jié) ? 論

1）車身及有無側(cè)風(fēng)對(duì)后視鏡尾流和振動(dòng)特性

有很大的影響，有無側(cè)風(fēng)時(shí)后視鏡風(fēng)致振特性相差很大;后視鏡固定與振動(dòng)對(duì)后視鏡渦脫頻率和尾流結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生較大影響.

2）后視鏡尾渦受車身影響未充分發(fā)展形成規(guī)

則交替脫落的旋渦，且渦脫頻率與后視鏡固有頻率相互錯(cuò)開，限制了渦激振動(dòng)作用;沿鏡面對(duì)角線的壓差導(dǎo)致后視鏡失穩(wěn)振動(dòng)，隨風(fēng)速的提高振幅不斷增大，但頻率鎖定于27.8 Hz不變，此時(shí)振動(dòng)受風(fēng)速主導(dǎo).

3）有側(cè)風(fēng)時(shí)，車身對(duì)后視鏡流場(chǎng)的影響進(jìn)一步加強(qiáng)，致使后視鏡所受作用力不再呈現(xiàn)主頻作用，在低頻區(qū)連續(xù)變化且紊亂無規(guī)律，而在高頻區(qū)產(chǎn)生大于無偏航角時(shí)的主頻作用，該主頻即為渦脫頻率.

4）有偏航角時(shí)，尾流區(qū)旋渦得到延伸發(fā)展，形成規(guī)則交替脫落的旋渦，因此恢復(fù)了較強(qiáng)的約165 Hz的高頻渦激振動(dòng);且因后視鏡所受低頻連續(xù)紊亂的作用力及鏡面壓差增大，鏡面振動(dòng)加劇.

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