模拟跑车侧门和后视镜的风荷载

作者形象

通过Ed丰特斯

2021年5月27日

当你买新车时,关车门时的声音和感觉会对你的第一印象产生微妙而重要的影响。车门对震动很敏感,根据它们的设计和结构,当你关闭不同的车门时,会产生不同的声音。降低车门振动的能力对驾驶体验非常重要。在高速行驶时,流体可能会在车门和侧窗引起振动,振动可能会传播到乘客舱,甚至是内饰板和其他内部部件,造成恼人的噪音。有些人可能会非常沮丧(没有提到名字),只是从一个松散的皮带扣振动振动的噪音,而驾驶时的b柱。我无法想象如果一个装饰面板开始发出噪音会发生什么!

设计的一个重要部分,关于高速振动,是汽车的空气动力学。通过建模和仿真可以比较准确地估计车辆周围的流场和压力场。在结构分析中,水流施加的脉动压力可作为表面载荷。在这方面,重要的是空气在高速时所施加的力不仅要根据大小而且要根据频率来估计。

在这篇博客文章中,我们使用大涡模拟(LES)模型来预测气流在高速时对跑车的车门和侧镜产生的瞬态力。然后在结构分析中使用这些力作为荷载。

为什么是跑车?因为它更有趣,当然!由于我可能永远不会拥有一辆超级跑车,做一辆超级跑车可能会给我足够的满足……

照片中,前面是一辆红色的兰博基尼三浦,后面是其他跑车和超级跑车。
兰博基尼Miura®被认为是第一款超级跑车。它制作于1966年至1973年。这是1967年的P400型号。在右边的背景中,我们可以看到另一款经典超级跑车的后部,法拉利®512 BB,发布于1972年。背景的左边是De Tomaso Mangusta®的后部,带有经典的机翼式后窗,也在1967年发布。由joergens形象。我自己的工作。下许可3.0 CC冲锋队通过维基共享

编者按:兰博基尼和三浦是兰博基尼公司的注册商标。德托马索曼古斯塔是德托马索汽车有限公司的注册商标。法拉利是法拉利S.P.A.的注册商标,没有任何赞助、背书、关联或其他关联暗示这些商标的拥有者。

大涡模拟模型

LES模型的优点是可以准确估计流动随时间的波动。这也意味着它可以估计作用在车身表面的力作为时间的函数。我们想在门和镜子的结构分析中使用这些时间波动力作为载荷,然后通过快速傅里叶变换(FFT)将这些载荷转换到频域。通过观察由载荷激发的本征模态,可以估计出门和镜子振动的风险。

车门和后视镜周围的流场取决于汽车的形状。为了得到准确的流场,我们需要模拟整辆车。此外,如果我们能够负担得起计算成本,那么对整个汽车进行建模会更有趣。

流体流动分析有些复杂,因为我们需要得到适当的初始条件的LES模型。这包括求解势流的拉普拉斯方程,将势流的解作为RANS (reynolds -平均Navier-Stokes)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模拟的迭代次数。在本例中,我们不想定义单独的RANS接口和LES接口,因为这将重复自由度的数量。相反,我们将RANS接口的属性更改为LES。这不是在COMSOL Multiphysics®软件中建立模型的最优雅的方法,但它是计算成本最低的方法。下图显示了流体流动模型的模型树。

一个模型树的截图模拟风荷载在一辆跑车上,与不同的研究注释。
流体流动问题的模型树。

汽车周围空气区域的边界必须足够大这样我们就有希望知道一些关于流动的东西或者关于边界上的压强以便定义边界条件。这又决定了网格应该是什么样子。我们需要在车周围加一层边界层。我们也必须允许一些元素的增长远离汽车,以减少问题的规模。网格如下所示。

在汽车周围的空气领域的网格可视化橘色和黄色三角形,与一个嵌入放大的视图,放大后更接近汽车。
在空气领域的网格和这个网格的放大接近汽车。在汽车的表面,一个边界层网格被自动创建。

下图显示了汽车后面的流动。我们可以看到,水流的轨迹一直延伸到汽车后面很远的地方。这条轨迹必须变得更安静和更平稳,以便在车后设置一个边界条件,因此车后的空气域非常长。

仿真结果显示了汽车模型后面的流场在一个长,细,灰色矩形,与流动流线可视化彩虹颜色表。
汽车以180 km/h的速度行驶时,车后流场的扰动到达车后很远的地方,因此需要较长的空气域。

镜子周围的区域和门的上部,侧窗,受到最高的相对流量。下图显示了从前面和后面的流动,与周围的侧门的区域放大。通过模型计算,国产汽车的阻力系数为0.31,虽然较低,但符合实际情况。

4张模拟结果的拼贴图显示了一辆跑车周围的流场,放大了两张图显示了侧门周围的流场。
汽车周围的流场和靠近侧门的放大图。

基于单向FSI研究的结构模型

我们可以使用流施加的力在时域中运行第一个初始测试示例。除了让我们掌握镜上的变形,它还会产生一些很酷的动画。(优秀动画的影响绝对不应该被低估!)下面,我们可以看到气流是如何使镜子变形的。为了形象化,变形被放大了50倍。

由流动引起的镜面振动。注意,变形被放大了50倍,否则我们将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,由于加载的随机性,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。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,以便了解门的不同细节可能会如何振动。我们可以通过首先使用FFT将由流动引起的波动力从时域转移到频域。在这种情况下,我们使用0.7 s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180公里/小时的速度行驶35米后,相当于8辆车的长度。由于我们现在采样的周期是0.1 s,频率域中的分辨率将是10 Hz。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赫兹和160赫兹时出现峰值。侧镜在50赫兹有一个主要的峰值,在70-90赫兹范围有一个平台。如果频谱中的峰值与结构的重要固有频率重合,则存在共振放大的风险。

一个线形图,分别用蓝色和绿色线绘制在跑车的侧窗和镜子上的总力。
在这张图中,我们可以看到作用在侧窗和镜上的总力是频率的函数。注意,来自平均流量的静态负载不包括在内。

下图显示了模型树,用于将波动力转移到频域,并进行结构分析以找到响应。

在频域内对跑车侧门和镜子进行结构分析的模型树的截图。
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以风荷载为激励进行频域研究。在最后的研究步骤中,将解转移回时域。

一旦我们把流体中的应力转换到频域,我们就可以把它们作为载荷施加在门和镜子上。在这个分析中,我们可以利用侧面门的全部几何形状,但是我们不需要对汽车的其余部分进行解释。下面显示了一个有趣的90赫兹激励模式。我们可以看到侧窗的振动是由边缘的一个节点引起的,门侧在侧撞门梁上方的上部也是由一个节点引起的。这种模式很难完全抑制。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频率响应在90赫兹,可视化彩虹色表。
90赫兹时对流体负载的响应。整个侧窗和侧门在很大一部分表面上几乎均匀地振动。

另一个有趣的模式是在50hz。在这里,门的内部结构和侧镜振动响应的流体负载在外部表面。然而,我们可以希望,装饰面板附在金属可能有助于阻尼振动内部结构。

仿真结果绘制了跑车门内部频率响应在50赫兹,可视化彩虹色表。
在COMSOL Multiphysics中建模的跑车侧门在50hz频率响应的可视化。

在50hz下的响应表明,侧门内部金属结构和侧镜都发生了振动。这可能是阻尼的装饰面板附在这个表面。

最糟糕的情况是当你不得不轻轻摇下车窗时,就会发出颤振声。当有人在车里做flatology研究时,或者有人点燃雪茄时,你可能需要这样做。当窗的上边缘不受约束时,本征模态显示整个侧窗发生襟翼。侧窗上缘的振动频率为20赫兹。

当车窗破裂时,车门在20hz频率下的频率响应图,显示车窗上边缘的红色振动。
20hz的响应产生侧窗上后角的振动。

风荷载在跑车模型上的扩展

车身有几处简化之处。例如,车身的不同部分被假定是完美组装的,不同的车身面板之间没有缝隙或错位。在现实中,一辆真正的超级跑车的车身面板和车门之间充满了微小的缝隙,这些缝隙的量级为毫米。这些缝隙可能会引发一些额外的湍流。这里的另一个简化是,在CFD模型中轮子不旋转。这也会造成乱流。结构分析假设门被约束在车架上,没有位移。在现实中,汽车的车架也会振动,主要是由于路面的粗糙度通过驱动系统和汽车的悬挂传播到车架,然后传播到车门。

尽管进行了简化,但该模型仍然相当复杂,可以很好地用作一个更精确模型的起点。该模型的扩展可以包括挡风玻璃和后窗,并对窗户的振动进行完整的分析,这是噪声的主要来源。此外,我们还可以将用FSI计算得到的振动作为边界条件用于汽车声学研究。这将包括车厢的详细几何形状,如门装饰,座椅,地毯,仪器等。不过,这是另一篇博文的话题了!

下一个步骤

想尝试对汽车的镜子和门进行LES研究吗?单击下面的按钮来访问模型文件。


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