高速流固耦合效应下车窗密封机理建模与分析*

朱文峰,林佩剑,周 辉

(同济大学机械与能源工程学院，上海 201804)



2015235

高速流固耦合效应下车窗密封机理建模与分析*

朱文峰,林佩剑,周 辉

(同济大学机械与能源工程学院，上海 201804)

高速工况下车身受强烈流固耦合作用，车窗玻璃与导槽密封条位置发生变化而产生泄露噪声。采用SST湍流模型研究整车外流场，将车身整体所受外流场风压映射为车窗局部外载荷。将车窗导槽非线性密封约束简化为弹性支撑，来研究高速工况下车窗密封作用机理。结果表明，迎风车窗主要受正压作用，发生较小翘曲，而背风车窗受较大负压作用，外侧密封条唇边被完全压紧。通过该模型可实现流固耦合效应下车窗密封性能的定量分析，提高车窗密封系统的高速静音性设计水平。

车窗密封；流固耦合；SST湍流模型

前言

随着乘客对汽车舒适性要求日益提高，车内环境的静音性能已成为汽车设计的重要指标。车窗系统由于与乘客感官距离最近，其密封性能的优劣尤为重要。作为动密封结构的车窗密封系统是比较薄弱的部分，在外载荷作用下，玻璃与密封条的装配约束关系极易发生变化，导致玻璃与密封条间形成细小间隙，显著降低密封性能。在高速工况下，逆向气流与横向侧风可能在狭小缝隙处产生泄露噪声，成为主要的噪声源[1-2]，并且在雨水与尘埃环境中其防水和防尘性能变差。

国内外很多学者对车窗导槽密封条的仿真和汽车高速侧风工况下的湍流模型进行了研究。文献[3]中使用简化的矩形截面条状密封条连接车窗玻璃与车门钣金，对风载作用下车内振动声学响应进行研究；文献[4]中以密封条唇边压缩负荷为设计标准，基于试验与数值分析对密封条结构进行改进；文献[5]中采用不同方法对侧风状态下轿车的气动特性进行了数值模拟，并与风洞试验对比，表明采用合成风方法可高效获得接近于试验的结果；文献[6]中应用SST湍流模型对选择性催化还原排气系统中氨蒸汽运输混合过程进行预测，数值模拟结果对平均速度场的预计与激光多普勒测速仪得到的数据吻合良好，验证了SST模型在低速流场中应用的可行性。

本文中基于简化的密封条压缩变形行为假设，将车窗导槽密封条对玻璃的约束作用拟合为弹性支撑，采用流固耦合方法将流场仿真中得到的整车风压作为载荷工况加载到车窗静结构模型上，定量分析在高速侧风工况下，玻璃在导槽密封条内位置的变化情况与密封条的变形程度，为综合考虑行车速度与环境因素，设计适应全工况下的车窗密封系统提供了参考。

1 车窗导槽密封作用的弹性支撑模拟

在车窗的升降过程中，导槽密封条的压缩变形行为实质上是超弹性材料在狭小间隙中的大变形过程，表现出强烈的几何和材料非线性特性。为描述该行为，并应用于流固耦合仿真，基于以下假设将其简化为密封条对玻璃的弹性支撑条件：(1)在导槽密封条中玻璃初始位置为压缩力平衡位置；(2)密封条压缩作用力-位移关系可以近似用一次函数表示。

通过对前、后与顶端导槽和内外水切密封条截面以100mm长度进行平面应变仿真，得到玻璃从外侧唇边过压至完全压紧状态到内侧唇边过压2mm的力-位移曲线，使用一次函数近似拟合，得到弹性系数。

1.1 网格划分与材料模型

密封条网格划分采用四边形单元，为更好模拟密封条截面边界，控制径向单元尺寸为0.5mm。由于Mooney-Rivlin模型能够较好地拟合不可压缩橡胶材料中等应变范围的应变能函数，因此被广泛应用于超弹性材料的模拟中，本文中采用该模型。二参量Mooney-Rivlin模型的应变能函数为

W=c10(I1-3)+c01(I2-3)

(1)

式中：c10和c01为材料系数，由材料基础力学性能试验(单轴拉伸、单轴压缩、双轴拉伸、平面剪切、体积试验等)数据拟合得到；I1和I2分别为橡胶材料的第一和第二应变不变量。车窗各段密封条材料见表1。

表1 车窗各段密封条材料

1.2 仿真结果分析与刚度系数拟合

图1为前端导槽密封条截面在平衡位置时的柯西应力分布图，以该位置为位移零点，外侧唇边过压至完全压紧，内侧唇边过压2mm，得到力-位移曲线，使用一次函数进行最小二乘拟合，结果见图2。同理可分别得到上下左右四侧密封条刚度系数：前端导槽2.798 8N/mm，后端导槽11.095 5N/mm，顶端导槽6.007 6N/mm，水切2.801 0N/mm。

2 车窗玻璃风压载荷的转换

2.1 模型与计算域设置

图3为本文中所采用的整车模型。为减少计算量，在建模过程中进行适当简化，忽略后视镜和雨刮器等外凸装置，将底盘简化为平面。车辆外形尺寸(长×宽×高)为4000mm×1600mm×1450mm。

2.2 边界条件设置

根据我国高速公路法规120km/h限速的规定，并参考已有研究中关于侧风仿真模拟的结论[7]，选取典型的六级风力横风条件为工况(取风速为12.3m/s)，车速100km/h(即27.78m/s)，设置边界条件见表2，采用合成风方法[5]在ANSYS Workbench平台下进行仿真模拟，所采用的计算域为长方体[5]，设置为(长×宽×高)40000mm×12000mm×10000mm，如图4所示。

表2 边界条件设置

2.3 基本方程和湍流模型

汽车外流场一般为定常、等温和不可压缩三维流场，采用单向流固耦合稳态计算。由于车身外形复杂易引起分离，所以采用SST湍流模型，该模型考虑到湍流剪切应力的输运，综合了k-ω模型适宜于低雷诺数情况下的近壁处理和k-ε模型在边界层以外区域表现良好的优点[8]，应用开关函数F1将两个模型结合起来，因此在数值试验和实际应用中表现出其准确及时预测分离的特性[9]。

SST湍流模型为

φ3=F1φ1+(1-F1)φ2

(2)

其中

F1=tanh(arg14)

(3)

(4)

(5)

式中：φ1代表基本k-ω模型；φ2代表变形后的k-ε模型；k为湍流动能；ε为湍能耗散率；ω为湍流频率；ρ为空气常温常压下的密度；y为壁面边界层瞬时厚度。

上述式中所需参数可依据参考文献[9]设为β′=0.09和σω2=1/0.856。

为获得正确的输运特性，模型中黏性系数ν需重新定义为涡黏性系数νt：

(6)

其中：

F2=tanh(arg22)

(7)

(8)

式中：常数α1=5/9；s为应变率的不变测度[9]。

2.4 网格划分

由于汽车外表面曲面形状复杂，采用Delaunay方法，在生成三角形面网格的基础上映射生成四面体网格，在汽车外表面及近表面处生成多层菱形网格，周围网格局部加密，提高边界层的计算精度，在整个计算流域生成非结构化空间网格，可更好地适应不规则区域，如图5所示。

2.5 模型验证

为验证流固耦合计算模型的可行性，针对本文中所用整车模型进行了风阻系数CD的理论计算，并与原型车的公开试验值进行比较验证[10]。风阻系数为

(9)

式中：F为汽车受到的空气阻力；S为车身迎风面积；ρ为空气密度；v为车速。

风阻系数CD的计算值为0.315，而试验值为0.33，误差为4.55%，说明流固耦合模型与实际情况接近，所得结论能够反映风压载荷对车身外流场的作用效应。

2.6 结果分析

通过后处理得到前后四面车窗上的风压分布见图6。迎风面的车窗玻璃在靠近反光镜处受到向内侧的正压，而在对角处则受到向外侧的负压；在背风面，车窗受到以向外侧的负压为主的风压载荷。

3 车窗玻璃位移与密封条变形分析

取汽车两侧前车窗进行玻璃位移与密封条变形分析。

3.1 玻璃实体建模与载荷传递

通过截取车身外形上风窗玻璃区域的曲面，根据实际玻璃外形与厚度重构玻璃实体，由于严格保证了全局坐标与几何形状的一致性，依据流场建模为参考，采用相同的三角形网格，0.5倍的网格尺度，最终得到在左前窗98%、右前窗100%的结构网格节点映射到了流场模型表面，剩余的节点被映射到最近的边缘或者节点上，载荷传递成功率高，效果良好，图7为右前窗风压载荷传递加载示意图(结构加载中风压以矢量箭头显示，正压即指向外侧+X，负压即指向内侧-X)。

3.2 边界条件的设置和材料属性

根据1.2节中得到的各密封条的拟合刚度系数，在相应位置施加弹性支撑，玻璃与升降器连接的铰链处施加固定约束，玻璃采用一般车用钢化玻璃，具体材料属性为厚度3.5mm，密度2 500kg/m3，弹性模量74GPa，泊松比0.25。

3.3 结果分析

图8示出玻璃受风压载荷作用下的位移云图。迎风面由于受到部分正压与部分负压作用，玻璃在自身原曲面上发生一定的翘曲，前端向外侧偏移，后端向内侧偏移，最大位移约为0.17mm，位于前端导槽处，见图8(a)；背风面则完全受到负压作用，玻璃整体向外偏移，最大位移约为1.9mm，位于顶端导槽处，见图8(b)。前端导槽密封条外侧唇边完全压紧时的位移为1.65mm，顶端导槽密封条外侧唇边完全压紧时的位移为1.8mm，它们已经超出了这两处外侧唇边的最大位移，说明A柱顶端处导槽密封条外侧唇边处于完全压紧状态。

4 结论

(1) 为研究整车高速工况下车窗玻璃位移与密封条变形情况，采用SST湍流模型，将车身整体所受外流场风压映射为车窗局部外载荷，通过最小二乘拟合，将车窗导槽非线性密封约束简化为弹性支撑。使用“约束拟合”与“载荷映射”两步法建立车窗密封作用机理模型。

(2) 计算结果表明，迎风面主要受到正压与部分负压作用，玻璃在自身原曲面上发生翘曲，位移较小；而背风面完全受到负压的作用，A柱顶端附近导槽密封条外侧唇边处于完全压紧状态，会导致密封性变差。

(3) 依据计算结果，针对车窗表面受到不均匀风压的情况，建议对顶端密封条采用压缩负荷更大的截面和变截面的设计方法，可将玻璃位移控制得更小，使其不易产生泄露噪声。

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Modeling and Analysis of Window Sealing MechanismUnder High-speed Fluid-solid Coupling Effect

Zhu Wenfeng, Lin Peijian & Zhou Hui

CollegeofMechanicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai201804

In high speed condition, vehicle body is subjected to strong fluid-solid coupling action and the positions of window glass and sealing strip in window channel change, so leak noise is generated. In this paper, SST turbulence model is adopted to study the external flow field of vehicle. The wind pressure from the exterior flow of vehicle body is mapped to windows as external load, and the nonlinear seal constraint of window channel is simplified as an elastic support to study the window sealing mechanism in high speed condition. The results show that the window in windward side mainly bears positive pressure, so warping slightly, while that in leeward side bears larger negative pressure with the lip of its outer sealing strip completely squeezed. Using the model can realize the quantitative analysis on the sealing performance of window under fluid-solid coupling effect and enhance the design level of window sealing in terms of high speed quietness.

window sealing; fluid-solid coupling; SST turbulence model

*国家自然科学基金面上项目(51275359)、青浦-同济科研合作平台项目(2011年,2013年)和上海市复杂薄板结构数字化制造重点实验室开放课题(2012005)资助。

原稿收到日期为2014年5月5日，修改稿收到日期为2014年7月3日。