购买新车时，您关门时会经历的声音和感觉为您的第一印象带来微妙而重要的贡献。门对振动很敏感，取决于其设计和结构，当您关闭不同汽车的门时，这会导致不同的声音。减少汽车门中这些振动的能力对于驾驶体验很重要。在高速速度下，流体流量可能会导致门和侧窗的振动，这可能会传播到乘客舱室中，甚至是装饰面板和其他内部零件，都会引起烦人的噪音。有些人可能会因为在开车时靠在B柱上振动的松散皮带扣的声音而感到非常沮丧（没有提及）。我无法想象如果装饰面板开始发出噪音，会发生什么！
关于高速振动的设计的重要部分是汽车的空气动力学。建模和仿真可用于以合理的精度估算汽车周围的流量和压力场。在结构分析中，流动施加的波动压力可用作表面载荷。在这种情况下，重要的是要估计空气在高速上施加的力不仅幅度，而且还要频率。
在这篇博客文章中，我们研究了使用大型涡流模拟（LES）模型来预测气流在跑车高速的门和侧视镜上产生的瞬态力。然后将力用作结构分析中的载荷。
为什么要跑车？因为这当然更有趣！而且，由于我可能永远不会拥有超级跑车，因此建模可能会给我足够的满足感一段时间...
LamborghiniMiura®被认为是第一台超级跑车。它是从1966年到1973年生产的。这是1967年的P400型号。在背景中，我们可以看到另一款经典超级跑车的后部Ferrari®512BB，于1972年发布。在后台，左侧是De TomasoMangusta®的后部，其经典的翼后窗，也于1967年发行。获得许可CC BY-SA 3.0， 通过Wikimedia Commons。
编者注：兰博基尼和Miura是Automibili Lamborghini S.P.A. de Tomaso Mangusta的注册商标。法拉利是法拉利S.P.A.的注册商标。对于此类商标的所有者，没有任何赞助，认可，隶属关系或其他联系。
大涡模型模型
LES模型的优势在于，它可以通过时间进行准确估计流动的波动。这也意味着它可以估计汽车身体表面的力随时间的变化。我们希望将这些时间驱动力的力用作门和镜子的结构分析中的负载，然后使用快速的傅立叶变换（FFT）将这些载荷转换为频域。这应该导致估计门和镜子振动的风险，通过查看被负载激发的特征模式。
门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。此外，建模整个汽车更有趣，至少如果我们负担得起计算成本。
流体流量分析有些复杂，因为我们需要为LES模型获得不错的初始条件。这涉及求解电势流的拉普拉斯方程，使用电势流的解决方案作为rans的初始条件（雷诺平均的navier – Stokes）仿真，然后又将其依次使用RANS模拟的结果作为初始条件。LES模型。执行第一步是为了减少RANS模拟的迭代次数。在这种情况下，我们不想定义单独的架接口和LES接口，因为这将复制自由度的数量。相反，我们将架接口的属性更改为LES。这不是在ComsolMultiphysics®软件中设置模型的最优雅的方法，但这是计算上最不昂贵的方式。下图显示了流体流模型的模型树。
流体流问题的模型树。
汽车周围空气域的边界框必须足够大，以便我们希望我们对边界处的流量或压力有所了解，以定义边界条件。反过来，这决定了网格的外观。我们需要在汽车周围的边界层。我们还必须让一些元素的增长远离汽车，以减少问题的大小。网格如下所示。
空气域中的网格和该网格的放大倍数更靠近汽车。在汽车的表面上，将自动创建边界层网格。
下图显示了汽车背后的流动。我们可以看到，流小径到达汽车后面很远。为了在汽车后面设置边界条件，这条小径必须变得更安静，更光滑，因此汽车后面的空气域很长。
汽车后面以180 km/h行驶的流动场的干扰到达了汽车后面很远，因此需要一个长的空气域。
镜子周围的区域和门的上部，侧窗，受到最高的相对流量。下图显示了从前后的流动，侧门周围的区域放大了。该自制汽车的阻力系数通过模型计算为0.31，这是一个低但现实的值。
汽车周围的流场和靠近侧门的放大倍数。
使用单向FSI研究的结构模型
我们可以使用流动施加的力在时间域中运行第一个初始测试示例。除了掌握我们在镜子上可以期望的变形外，还应该导致一些很酷的动画。（不应低估好动画的影响！）在下面，我们可以看到流动如何变形镜子。用于可视化目的的50倍将变形夸大。
流动引起的镜子的振动。请注意，变形被夸大了50倍，否则我们将看不到镜子如何移动。
但是，在时间域分析中，假定初始条件为零。同样，由于负载的随机性质，必须在很长的仿真时间内进行良好的时间域分析，以便给出可靠的结果。我们需要使用更复杂的方法。
下一步是定义频域中的结构模型，以查看门中不同细节可能会振动。我们可以首先使用FFT将流量从时域转移到频域引起的波动力来做到这一点。在这种情况下，我们使用一个时间范围的流量模拟为0.7 s。从0.6到0.7的最后一个间隔为0.1 s，表明该流量已经稳定。这是在180 km/h的35 m速度后，对应于8个汽车长度。由于我们现在采样0.1 s的周期，因此频域中的分辨率为10 Hz。可以使用更长的采样间隔来增加频率分辨率。侧窗中的总力显示在90 Hz和160 Hz处的尖峰。侧视镜在50 Hz处有一个主要的尖峰，在70-90 Hz范围内的高原。如果频谱中的峰与结构的重要固有频率重合，则由于共振而存在放大的风险。
在此图中，我们可以看到侧窗上的总力和镜像是频率的函数。请注意，不包括来自平均流量的静电负载。
下图显示了用于将波动力转移到频域并进行结构分析以找到响应的模型树。
用于频域中结构分析的模型树。研究4将风负载从时域转移到频域。研究5通过风负载的激发进行频域研究。然后将解决方案转移回最后一个研究步骤中的时域。
一旦我们将流体中的应力转换为频域，我们就可以将其应用于门和镜子上的负载。在此分析中，我们可以使用侧门的完整几何形状，但是我们不必考虑其余的汽车。一个有趣的激发模式在下面以90 Hz表示。我们可以看到，侧窗在边缘的一个节点振动，侧面影响门束上方的门侧的上部用一个节点振动。这种模式可能很难完全潮湿。这意味着我们可能会以这种频率听到风。
在90 Hz处对流体负荷的响应。整个侧窗和侧门几乎在其大部分表面上均匀振动。
在50 Hz处发现了另一个有趣的模式。在这里，门的内部结构和侧视镜都响应外面的流体负荷而振动。但是，我们可以希望附着在金属上的装饰面板可以帮助抑制内部结构上的振动。
在50 Hz处的响应表明，侧门的内金属结构和侧视镜都会振动。这可能是由附着在该表面上的装饰面板抑制的。
当您不得不稍微向下滚下窗户时，就会发生最坏的响声。当有人在汽车上或有人点雪茄时，您可能需要做到这一点。然后，窗口的上边缘不受限制，本征码显示了整个侧窗襟翼。侧窗上边缘的振动发生在20 Hz时。
在20 Hz处的响应会产生侧窗上窗的上角的振动。
跑车模型上风负荷的扩展
汽车车身有几个简化。例如，假定身体的不同部位是完美组装的，没有差距也没有不同的身体面板之间的错位。实际上，真正的超级跑车的身体充满了车身面板和门之间的小缝隙，毫米的数量级。这些间隙可能引起一些额外的湍流。这里的另一个简化是车轮在CFD模型中不旋转。这也应导致湍流。结构分析假设门被限制在没有位移的汽车框架上。实际上，汽车的框架也振动，这主要是由于道路的粗糙度通过驱动列车传播，并将汽车悬挂到车架，然后悬挂到门上。
尽管进行了简化，但该模型仍然非常复杂，并且可以很好地用作更准确的模型的起点。该模型的扩展可能包括挡风玻璃和后窗，并对窗户的振动进行完整的分析，这是噪声的主要来源。此外，在汽车室的声学研究中，我们可以将使用FSI研究计算出的振动作为边界条件。这将包括汽车舱的详细几何形状，例如门框，座椅，地毯，仪器等。但是，这是另一个博客文章的主题！
下一步
是否想尝试对汽车镜和门进行LES研究？单击下面的按钮以访问模型文件。
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