某車型關門耳壓仿真分析方法研究

蘇瑞 李洪亮, 蘇麗俐 許增滿 陳玉明

（1.河北工業大學，天津 300130；2.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300399）

1 前言

車門關閉時的壓耳感現象是由氣阻效應產生的。在車門的關閉過程中車內壓力增大，乘員出現明顯的頭暈和壓耳的感覺，嚴重影響乘坐舒適性，因此，研究車門在關閉過程中的車內壓力和流場特性尤為重要。

車門關閉過程中產生的壓耳感與車內氣體的壓縮及其流動特性密切相關。林鳳和陳春俊[1]指出，車內壓力波動會影響人耳舒適度，從而引起乘員的不舒適感；張瑞[2]對車門關閉過程進行了數值仿真，通過分析車門關閉時的流場研究了影響乘員人耳壓力的因素；陳楓[3]在模擬整車密封性的基礎上，仿真研究了車門關閉過程的流場特征和壓強變化，并從泄壓閥的角度分析降低車內壓強的方法。Lee 和Hwang[4]采用簡化模型模擬了車門在關閉過程中的動態流場特性，并研究了車門關閉時人耳處的舒適性；Li 等人[5]使用Fluent 軟件的動網格技術動態模擬了車門關閉過程車內壓強變化，并與實車測量結果進行了對比驗證，結果表明該模型具有較好的模擬精度。然而，以往的研究大多為定性模擬車門關閉時的車內流場特性，與試驗結果進行對比的研究并不多見。

本文以實測得到的車門關閉速度作為仿真計算的初始條件，利用有限元軟件建立整車全比例模型，并結合計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件STAR-CCM+使用重疊網格技術進行仿真分析，得到車門關閉過程中的流場速度和乘員的耳壓變化情況，分析原狀態、泄壓通道、空腔體積以及綜合考慮泄壓通道和空腔體積對關門耳壓仿真結果的影響。

2 耳壓與關門速度測試

為了獲得車門關閉過程中駕駛員和右后乘員實際感受到的耳壓，使用人工頭模擬乘坐人員，試驗與仿真計算均基于車門1 擋位進行（車門開度為35°左右），采取手動關門方式。經過部分學者的統計，合理的關門速度為0.8～1.3 m/s[6]，本文采用1.2 m/s 的關門速度（誤差±0.01 m/s）情況下指定監測點的關門耳壓作為該車型關門壓耳感水平的評價指標，測量3次并取平均值以減小誤差。車輛關門速度曲線由關門速度測試儀獲得。

3 數值模擬

3.1 幾何模型

本文采用1∶1的全比例實車模型作為研究對象，尺寸為4 670 mm×1 805 mm×1 471 mm。該模型參照實車的內部幾何結構，保留了車門、座椅及內飾等主要結構特征，保證該模型的主要結構與實車一致。

計算采用重疊網格技術，整個流體域分為主域和從域兩部分。主域由半球體以及除車門外的整車模型組成，如圖1 所示。本文中汽車關門引起的氣體流速較小，因此主域采用半徑為8 m的半球形計算域。從域部分為車門，具體尺寸如圖2所示。

圖1 主域形狀及尺寸

圖2 從域形狀及尺寸

重疊網格[7]一般用于運動部件或運動狀態下2個或多個部件的問題分析。采用重疊網格技術計算車門在旋轉過程中乘員艙內監測點位置壓力變化，采用多層加密的方法保證重疊網格周圍網格尺寸一致，同時，重疊網格的邊緣與車門外表面保持了一定的距離。

本文仿真計算采用多面體網格，多面體網格具有較快的收斂速度和較高的計算精度，可以較好地提高計算的準確性，總體網格數量為3 500萬個左右。

3.2 邊界條件

本文模擬汽車在空曠地帶的關門情況，由于關門過程氣體流速較小，氣體屬性設為理想氣體，整個流體計算區域為半徑為8 m的半球，除地面采用固定壁面邊界條件外，流體域內其他面均采用靜壓為0的邊界條件。

3.3 物理模型

模型采用大渦模擬（Large Eddy Simulation，LES）[8]，不考慮溫度對結果的影響，計算量小于直接數值模擬（Direct Numerical Simulation，DNS）[9]。

濾波后不可壓縮的紊流運動控制方程為納維-斯托克斯（Navier-Stokes，N-S）方程：

式中，Sij=(?ui/?xj+?uj/?xi)/2為拉伸率張量；τij為亞格子應力；γ為運動學粘性系數；ρ為流體密度；ui、uj和p分別為濾波后的速度分量和壓力；xi、xj分別為節點i、j處的參量；t為時間。

亞格子應力采用Smagorinsky模型[10]求解：

式中，γT=(CsΔ)2(2SijSij)1/2為亞格子粘渦系數；Δ為過濾尺度；Cs為Smagorinsky 系數，取Cs=0.28；τkk為中i=j時τij的取值；δij為克羅內克符號，當i=j時，δij=1，否則δij=0。

3.4 壓耳感仿真

關門壓耳感仿真主要針對4種模型狀態進行計算：

a.原狀態，為了縮短建模時間，在不影響計算精度的前提下，在該車型原有數模的基礎上忽略聲學包、線路、電器件以及對汽車內流場影響較小的特征結構；

b.優化氣流通道，改善氣流通道使其與實車一致；

c.考慮空腔體積，行李箱兩側吸音棉、輪包處等聲學包及備胎艙泡沫使氣體流經的空腔體積減小；

d.在優化氣流通道的同時考慮空腔體積，使模型與實車更接近。

4 結果和討論

4.1 耳壓和關門速度

基于某現產車型測量2 個監測點的耳壓和關門速度，結果如圖3所示。由圖3a可以看出，關門過程中，駕駛員左耳耳壓在第0.865 s達到峰值227.4 Pa，右后乘員左耳耳壓在第0.868 s達到峰值235.6 Pa，右后乘員的耳壓峰值相較于駕駛員耳壓峰值出現的時間滯后約3 ms，并且峰值略高，這可能與關門過程中乘員艙內的氣體流動特性有關。由圖3b可以看出，關門速度先增大，然后趨于平穩，在車門將要閉合時，速度迅速減小，這是由于車門將要關閉時受到氣阻效應、密封條等的影響[2]。

圖3 耳壓和關門速度測試結果

4.2 速度云圖

仿真計算將試驗測得的該車型關門速度曲線作為輸入，得到了如圖4 所示的車門關閉過程速度云圖。

圖4 不同時刻的氣流速度云圖及車門位置

從圖4 中可以看出：隨著車門的關閉，車門附近的空氣流動速度逐漸提高；另外，在第0～0.5 s，很少有氣體被擠壓進乘員艙，因此，在該時間段，車內人耳處的耳壓變化不大，而在第0.8 s后，越來越多的空氣被擠入乘員艙，并急劇從車后的泄壓閥排出，造成車內空氣被迅速擠壓，并導致壓力急劇上升；在第1.2 s 左右，隨著車內氣體被逐漸排出，空氣流動逐漸恢復平穩。

4.3 壓耳感仿真

仿真主要針對原狀態、優化氣流通道、改變空腔體積及綜合考慮兩者共4種狀態進行計算，結果如圖5所示。

4.3.1 原狀態模型

峰值耳壓對乘員的舒適度有較大影響[2]，因此，重點關注關門過程中乘員的峰值耳壓。由圖5可知，原狀態模型在關門過程中，乘員耳壓在車門關閉瞬間會急劇增加到峰值而后穩定衰減，這與實際情況和推測結果相符。

圖5 4種情況下的模擬值

4.3.2 優化實車氣流通道

在原有幾何模型基礎上優化實車氣流通道，關閉模型中后排座椅與衣帽架的間隙，使模型與實車結構更接近。由圖5可知，優化后乘員耳壓變化趨勢與原狀態相比變化不大，而駕駛員和右后乘員左耳峰值耳壓均提高。

對比仿真計算模型，驗證后排座椅處氣流通道有無對關門過程乘員艙內監測點壓力的變化趨勢是否與仿真計算結果一致。將實車后排座椅向前調整一定距離，使其與衣帽架間的距離達到12 mm，如圖6所示。

圖6 后排座椅與衣帽架間隙

測試結果如圖7 所示，后座椅與衣帽架間有、無間隙狀態的峰值壓力相近，仿真結果與測試結果相吻合。

圖7 原狀態實測與優化通道實測結果對比

優化實車氣流通道后，乘員峰值耳壓與原狀態相比有所增加，這是因為汽車在生產過程中難免由于加工工藝、裝配精度和材料屬性等問題導致實車與數模的氣流通道不完全一致[10]。本文研究過程中發現，試驗車輛受裝配精度影響及衣帽架表面毛氈材料致使該處泄壓通道被堵塞，這使得泄壓通道更復雜，峰值耳壓更大。

4.3.3 空腔體積對耳壓的影響

在原有幾何模型的基礎上，考慮空腔體積后，再對乘員的耳壓變化進行仿真，由圖5 可知，乘員耳壓的變化趨勢與上述情況相似，但是駕駛員和右后乘員左耳峰值耳壓進一步提高。

對比仿真計算模型，如圖8a所示，驗證備胎艙周圍泡沫結構的有無對關門過程乘員艙內監測點壓力的變化趨勢是否與仿真計算結果一致。如圖8b 所示，去掉泡沫結構后關門過程中乘員艙內氣流更順暢地經泄壓閥排出。

圖8 聲學包及泡沫結構

測試結果如圖9所示，仿真結果與測試結果相吻合。

圖9 原狀態實測與改變空腔體積實測對比

在考慮空腔體積變化后，與原狀態相比，峰值耳壓也有所提高，這是由于建模過程中為了簡化模型，忽略了如圖8 所示的輪包、吸音棉及備胎艙周圍泡沫等結構。這些結構雖不影響泄壓通道面積，但是占據了氣體流經的空腔體積，在一定程度上阻礙氣流排出，不利于泄壓，使計算值偏低。

4.3.4 綜合考慮氣流通道和空腔體積對耳壓的影響

從上述分析結果中可以看出，仿真計算與試驗測試結果的壓力變化趨勢相一致，并且汽車在后排座椅處的氣流泄壓通道與空腔體積均對關門壓耳感有較大影響，考慮到改變實車后排座椅處氣流通道及空腔體積后，峰值耳壓可能會進一步提高，因此，在優化氣流通道的同時考慮空腔體積變化，再對關門過程進行仿真計算。

由圖5可知，乘員耳壓的變化趨勢與上述所有情況均相似，但是駕駛員和右后乘員左耳峰值耳壓進一步提高。綜合考慮兩種情況的結果說明：汽車的氣流泄壓通道與空腔體積對關門耳壓都有不可忽略的影響，同時考慮兩者的作用也會使乘員耳壓進一步提升。

4.4 仿真與試驗結果對比

為保證仿真計算方法的精度，確定該仿真方法與實際結果的誤差，將上述4種仿真結果與實車原狀態實測數據對比，結果如圖10所示。

圖10 試驗值與模擬值對比

結果顯示：仿真結果的耳壓變化趨勢與實際結果比較吻合，均在一定時刻急劇增加到峰值而后穩定衰減；另外，仿真結果均比實際結果低，這可能是由于仿真沒有完全考慮到車內所有零件、布置等因素對車內氣流的影響；所有仿真結果與實際測量結果的相對誤差如表1所示，優化氣流通道、考慮空腔體積和綜合兩者的計算結果均比原狀態與更接近實測結果，其中，綜合兩者的結果與實際情況最為接近，仿真精度可以控制在90%以上。

表1 試驗和仿真的監測點峰值耳壓誤差對比 %

由對比結果可知：4種仿真方法與實際測量結果的乘員耳壓變化趨勢相似，與原狀態相比，單獨優化泄壓通道和考慮空腔體積都可以較好地優化仿真精度，而綜合考慮兩者則可以進一步提高仿真精度，使其控制在90%以上，因此，盡管4種仿真計算情況都存在一定的誤差，但仍可以在一定程度上為優化車門關閉過程中的人耳舒適度提供參考。

5 結束語

本文研究了一種關門耳壓的仿真計算方法，基于某現產車型的三維數模，進行了關門耳壓的仿真計算。仿真過程針對原狀態、優化氣流通道、考慮空腔體積以及綜合優化氣流通道和考慮空腔體積的4 種方案進行計算，并與實測結果進行了對比。經計算，4 種仿真方案與實際測量的乘員耳壓變化趨勢相似，車內氣流泄壓通道、空腔體積對關門耳壓均有影響。與原狀態相比，兩者均可提高仿真精度，而綜合考慮兩者則與試驗結果具有更好的一致性，其仿真精度可達90%以上，4種方案都可以為汽車關門耳壓計算和優化提供一定的參考。