某车型关门耳压仿真分析方法研究

苏瑞 李洪亮, 苏丽俐 许增满 陈玉明

（1.河北工业大学，天津 300130；2.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300399）

1 前言

车门关闭时的压耳感现象是由气阻效应产生的。在车门的关闭过程中车内压力增大，乘员出现明显的头晕和压耳的感觉，严重影响乘坐舒适性，因此，研究车门在关闭过程中的车内压力和流场特性尤为重要。

车门关闭过程中产生的压耳感与车内气体的压缩及其流动特性密切相关。林凤和陈春俊[1]指出，车内压力波动会影响人耳舒适度，从而引起乘员的不舒适感；张瑞[2]对车门关闭过程进行了数值仿真，通过分析车门关闭时的流场研究了影响乘员人耳压力的因素；陈枫[3]在模拟整车密封性的基础上，仿真研究了车门关闭过程的流场特征和压强变化，并从泄压阀的角度分析降低车内压强的方法。Lee 和Hwang[4]采用简化模型模拟了车门在关闭过程中的动态流场特性，并研究了车门关闭时人耳处的舒适性；Li 等人[5]使用Fluent 软件的动网格技术动态模拟了车门关闭过程车内压强变化，并与实车测量结果进行了对比验证，结果表明该模型具有较好的模拟精度。然而，以往的研究大多为定性模拟车门关闭时的车内流场特性，与试验结果进行对比的研究并不多见。

本文以实测得到的车门关闭速度作为仿真计算的初始条件，利用有限元软件建立整车全比例模型，并结合计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）软件STAR-CCM+使用重叠网格技术进行仿真分析，得到车门关闭过程中的流场速度和乘员的耳压变化情况，分析原状态、泄压通道、空腔体积以及综合考虑泄压通道和空腔体积对关门耳压仿真结果的影响。

2 耳压与关门速度测试

为了获得车门关闭过程中驾驶员和右后乘员实际感受到的耳压，使用人工头模拟乘坐人员，试验与仿真计算均基于车门1 挡位进行（车门开度为35°左右），采取手动关门方式。经过部分学者的统计，合理的关门速度为0.8～1.3 m/s[6]，本文采用1.2 m/s 的关门速度（误差±0.01 m/s）情况下指定监测点的关门耳压作为该车型关门压耳感水平的评价指标，测量3次并取平均值以减小误差。车辆关门速度曲线由关门速度测试仪获得。

3 数值模拟

3.1 几何模型

本文采用1∶1的全比例实车模型作为研究对象，尺寸为4 670 mm×1 805 mm×1 471 mm。该模型参照实车的内部几何结构，保留了车门、座椅及内饰等主要结构特征，保证该模型的主要结构与实车一致。

计算采用重叠网格技术，整个流体域分为主域和从域两部分。主域由半球体以及除车门外的整车模型组成，如图1 所示。本文中汽车关门引起的气体流速较小，因此主域采用半径为8 m的半球形计算域。从域部分为车门，具体尺寸如图2所示。

图1 主域形状及尺寸

图2 从域形状及尺寸

重叠网格[7]一般用于运动部件或运动状态下2个或多个部件的问题分析。采用重叠网格技术计算车门在旋转过程中乘员舱内监测点位置压力变化，采用多层加密的方法保证重叠网格周围网格尺寸一致，同时，重叠网格的边缘与车门外表面保持了一定的距离。

本文仿真计算采用多面体网格，多面体网格具有较快的收敛速度和较高的计算精度，可以较好地提高计算的准确性，总体网格数量为3 500万个左右。

3.2 边界条件

本文模拟汽车在空旷地带的关门情况，由于关门过程气体流速较小，气体属性设为理想气体，整个流体计算区域为半径为8 m的半球，除地面采用固定壁面边界条件外，流体域内其他面均采用静压为0的边界条件。

3.3 物理模型

模型采用大涡模拟（Large Eddy Simulation，LES）[8]，不考虑温度对结果的影响，计算量小于直接数值模拟（Direct Numerical Simulation，DNS）[9]。

滤波后不可压缩的紊流运动控制方程为纳维-斯托克斯（Navier-Stokes，N-S）方程：

式中，Sij=(∂ui/∂xj+∂uj/∂xi)/2为拉伸率张量；τij为亚格子应力；γ为运动学粘性系数；ρ为流体密度；ui、uj和p分别为滤波后的速度分量和压力；xi、xj分别为节点i、j处的参量；t为时间。

亚格子应力采用Smagorinsky模型[10]求解：

式中，γT=(CsΔ)2(2SijSij)1/2为亚格子粘涡系数；Δ为过滤尺度；Cs为Smagorinsky 系数，取Cs=0.28；τkk为中i=j时τij的取值；δij为克罗内克符号，当i=j时，δij=1，否则δij=0。

3.4 压耳感仿真

关门压耳感仿真主要针对4种模型状态进行计算：

a.原状态，为了缩短建模时间，在不影响计算精度的前提下，在该车型原有数模的基础上忽略声学包、线路、电器件以及对汽车内流场影响较小的特征结构；

b.优化气流通道，改善气流通道使其与实车一致；

c.考虑空腔体积，行李箱两侧吸音棉、轮包处等声学包及备胎舱泡沫使气体流经的空腔体积减小；

d.在优化气流通道的同时考虑空腔体积，使模型与实车更接近。

4 结果和讨论

4.1 耳压和关门速度

基于某现产车型测量2 个监测点的耳压和关门速度，结果如图3所示。由图3a可以看出，关门过程中，驾驶员左耳耳压在第0.865 s达到峰值227.4 Pa，右后乘员左耳耳压在第0.868 s达到峰值235.6 Pa，右后乘员的耳压峰值相较于驾驶员耳压峰值出现的时间滞后约3 ms，并且峰值略高，这可能与关门过程中乘员舱内的气体流动特性有关。由图3b可以看出，关门速度先增大，然后趋于平稳，在车门将要闭合时，速度迅速减小，这是由于车门将要关闭时受到气阻效应、密封条等的影响[2]。

图3 耳压和关门速度测试结果

4.2 速度云图

仿真计算将试验测得的该车型关门速度曲线作为输入，得到了如图4 所示的车门关闭过程速度云图。

图4 不同时刻的气流速度云图及车门位置

从图4 中可以看出：随着车门的关闭，车门附近的空气流动速度逐渐提高；另外，在第0～0.5 s，很少有气体被挤压进乘员舱，因此，在该时间段，车内人耳处的耳压变化不大，而在第0.8 s后，越来越多的空气被挤入乘员舱，并急剧从车后的泄压阀排出，造成车内空气被迅速挤压，并导致压力急剧上升；在第1.2 s 左右，随着车内气体被逐渐排出，空气流动逐渐恢复平稳。

4.3 压耳感仿真

仿真主要针对原状态、优化气流通道、改变空腔体积及综合考虑两者共4种状态进行计算，结果如图5所示。

4.3.1 原状态模型

峰值耳压对乘员的舒适度有较大影响[2]，因此，重点关注关门过程中乘员的峰值耳压。由图5可知，原状态模型在关门过程中，乘员耳压在车门关闭瞬间会急剧增加到峰值而后稳定衰减，这与实际情况和推测结果相符。

图5 4种情况下的模拟值

4.3.2 优化实车气流通道

在原有几何模型基础上优化实车气流通道，关闭模型中后排座椅与衣帽架的间隙，使模型与实车结构更接近。由图5可知，优化后乘员耳压变化趋势与原状态相比变化不大，而驾驶员和右后乘员左耳峰值耳压均提高。

对比仿真计算模型，验证后排座椅处气流通道有无对关门过程乘员舱内监测点压力的变化趋势是否与仿真计算结果一致。将实车后排座椅向前调整一定距离，使其与衣帽架间的距离达到12 mm，如图6所示。

图6 后排座椅与衣帽架间隙

测试结果如图7 所示，后座椅与衣帽架间有、无间隙状态的峰值压力相近，仿真结果与测试结果相吻合。

图7 原状态实测与优化通道实测结果对比

优化实车气流通道后，乘员峰值耳压与原状态相比有所增加，这是因为汽车在生产过程中难免由于加工工艺、装配精度和材料属性等问题导致实车与数模的气流通道不完全一致[10]。本文研究过程中发现，试验车辆受装配精度影响及衣帽架表面毛毡材料致使该处泄压通道被堵塞，这使得泄压通道更复杂，峰值耳压更大。

4.3.3 空腔体积对耳压的影响

在原有几何模型的基础上，考虑空腔体积后，再对乘员的耳压变化进行仿真，由图5 可知，乘员耳压的变化趋势与上述情况相似，但是驾驶员和右后乘员左耳峰值耳压进一步提高。

对比仿真计算模型，如图8a所示，验证备胎舱周围泡沫结构的有无对关门过程乘员舱内监测点压力的变化趋势是否与仿真计算结果一致。如图8b 所示，去掉泡沫结构后关门过程中乘员舱内气流更顺畅地经泄压阀排出。

图8 声学包及泡沫结构

测试结果如图9所示，仿真结果与测试结果相吻合。

图9 原状态实测与改变空腔体积实测对比

在考虑空腔体积变化后，与原状态相比，峰值耳压也有所提高，这是由于建模过程中为了简化模型，忽略了如图8 所示的轮包、吸音棉及备胎舱周围泡沫等结构。这些结构虽不影响泄压通道面积，但是占据了气体流经的空腔体积，在一定程度上阻碍气流排出，不利于泄压，使计算值偏低。

4.3.4 综合考虑气流通道和空腔体积对耳压的影响

从上述分析结果中可以看出，仿真计算与试验测试结果的压力变化趋势相一致，并且汽车在后排座椅处的气流泄压通道与空腔体积均对关门压耳感有较大影响，考虑到改变实车后排座椅处气流通道及空腔体积后，峰值耳压可能会进一步提高，因此，在优化气流通道的同时考虑空腔体积变化，再对关门过程进行仿真计算。

由图5可知，乘员耳压的变化趋势与上述所有情况均相似，但是驾驶员和右后乘员左耳峰值耳压进一步提高。综合考虑两种情况的结果说明：汽车的气流泄压通道与空腔体积对关门耳压都有不可忽略的影响，同时考虑两者的作用也会使乘员耳压进一步提升。

4.4 仿真与试验结果对比

为保证仿真计算方法的精度，确定该仿真方法与实际结果的误差，将上述4种仿真结果与实车原状态实测数据对比，结果如图10所示。

图10 试验值与模拟值对比

结果显示：仿真结果的耳压变化趋势与实际结果比较吻合，均在一定时刻急剧增加到峰值而后稳定衰减；另外，仿真结果均比实际结果低，这可能是由于仿真没有完全考虑到车内所有零件、布置等因素对车内气流的影响；所有仿真结果与实际测量结果的相对误差如表1所示，优化气流通道、考虑空腔体积和综合两者的计算结果均比原状态与更接近实测结果，其中，综合两者的结果与实际情况最为接近，仿真精度可以控制在90%以上。

表1 试验和仿真的监测点峰值耳压误差对比 %

由对比结果可知：4种仿真方法与实际测量结果的乘员耳压变化趋势相似，与原状态相比，单独优化泄压通道和考虑空腔体积都可以较好地优化仿真精度，而综合考虑两者则可以进一步提高仿真精度，使其控制在90%以上，因此，尽管4种仿真计算情况都存在一定的误差，但仍可以在一定程度上为优化车门关闭过程中的人耳舒适度提供参考。

5 结束语

本文研究了一种关门耳压的仿真计算方法，基于某现产车型的三维数模，进行了关门耳压的仿真计算。仿真过程针对原状态、优化气流通道、考虑空腔体积以及综合优化气流通道和考虑空腔体积的4 种方案进行计算，并与实测结果进行了对比。经计算，4 种仿真方案与实际测量的乘员耳压变化趋势相似，车内气流泄压通道、空腔体积对关门耳压均有影响。与原状态相比，两者均可提高仿真精度，而综合考虑两者则与试验结果具有更好的一致性，其仿真精度可达90%以上，4种方案都可以为汽车关门耳压计算和优化提供一定的参考。