朱文峰,林佩劍,周 輝

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804)

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2015235

高速流固耦合效應(yīng)下車窗密封機(jī)理建模與分析*

朱文峰,林佩劍,周 輝

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804)

高速工況下車身受強(qiáng)烈流固耦合作用，車窗玻璃與導(dǎo)槽密封條位置發(fā)生變化而產(chǎn)生泄露噪聲。采用SST湍流模型研究整車外流場(chǎng)，將車身整體所受外流場(chǎng)風(fēng)壓映射為車窗局部外載荷。將車窗導(dǎo)槽非線性密封約束簡(jiǎn)化為彈性支撐，來研究高速工況下車窗密封作用機(jī)理。結(jié)果表明，迎風(fēng)車窗主要受正壓作用，發(fā)生較小翹曲，而背風(fēng)車窗受較大負(fù)壓作用，外側(cè)密封條唇邊被完全壓緊。通過該模型可實(shí)現(xiàn)流固耦合效應(yīng)下車窗密封性能的定量分析，提高車窗密封系統(tǒng)的高速靜音性設(shè)計(jì)水平。

車窗密封；流固耦合；SST湍流模型

前言

隨著乘客對(duì)汽車舒適性要求日益提高，車內(nèi)環(huán)境的靜音性能已成為汽車設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。車窗系統(tǒng)由于與乘客感官距離最近，其密封性能的優(yōu)劣尤為重要。作為動(dòng)密封結(jié)構(gòu)的車窗密封系統(tǒng)是比較薄弱的部分，在外載荷作用下，玻璃與密封條的裝配約束關(guān)系極易發(fā)生變化，導(dǎo)致玻璃與密封條間形成細(xì)小間隙，顯著降低密封性能。在高速工況下，逆向氣流與橫向側(cè)風(fēng)可能在狹小縫隙處產(chǎn)生泄露噪聲，成為主要的噪聲源[1-2]，并且在雨水與塵埃環(huán)境中其防水和防塵性能變差。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)車窗導(dǎo)槽密封條的仿真和汽車高速側(cè)風(fēng)工況下的湍流模型進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[3]中使用簡(jiǎn)化的矩形截面條狀密封條連接車窗玻璃與車門鈑金，對(duì)風(fēng)載作用下車內(nèi)振動(dòng)聲學(xué)響應(yīng)進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[4]中以密封條唇邊壓縮負(fù)荷為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，基于試驗(yàn)與數(shù)值分析對(duì)密封條結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)；文獻(xiàn)[5]中采用不同方法對(duì)側(cè)風(fēng)狀態(tài)下轎車的氣動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)比，表明采用合成風(fēng)方法可高效獲得接近于試驗(yàn)的結(jié)果；文獻(xiàn)[6]中應(yīng)用SST湍流模型對(duì)選擇性催化還原排氣系統(tǒng)中氨蒸汽運(yùn)輸混合過程進(jìn)行預(yù)測(cè)，數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)平均速度場(chǎng)的預(yù)計(jì)與激光多普勒測(cè)速儀得到的數(shù)據(jù)吻合良好，驗(yàn)證了SST模型在低速流場(chǎng)中應(yīng)用的可行性。

本文中基于簡(jiǎn)化的密封條壓縮變形行為假設(shè)，將車窗導(dǎo)槽密封條對(duì)玻璃的約束作用擬合為彈性支撐，采用流固耦合方法將流場(chǎng)仿真中得到的整車風(fēng)壓作為載荷工況加載到車窗靜結(jié)構(gòu)模型上，定量分析在高速側(cè)風(fēng)工況下，玻璃在導(dǎo)槽密封條內(nèi)位置的變化情況與密封條的變形程度，為綜合考慮行車速度與環(huán)境因素，設(shè)計(jì)適應(yīng)全工況下的車窗密封系統(tǒng)提供了參考。

1 車窗導(dǎo)槽密封作用的彈性支撐模擬

在車窗的升降過程中，導(dǎo)槽密封條的壓縮變形行為實(shí)質(zhì)上是超彈性材料在狹小間隙中的大變形過程，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的幾何和材料非線性特性。為描述該行為，并應(yīng)用于流固耦合仿真，基于以下假設(shè)將其簡(jiǎn)化為密封條對(duì)玻璃的彈性支撐條件：(1)在導(dǎo)槽密封條中玻璃初始位置為壓縮力平衡位置；(2)密封條壓縮作用力-位移關(guān)系可以近似用一次函數(shù)表示。

通過對(duì)前、后與頂端導(dǎo)槽和內(nèi)外水切密封條截面以100mm長(zhǎng)度進(jìn)行平面應(yīng)變仿真，得到玻璃從外側(cè)唇邊過壓至完全壓緊狀態(tài)到內(nèi)側(cè)唇邊過壓2mm的力-位移曲線，使用一次函數(shù)近似擬合，得到彈性系數(shù)。

1.1 網(wǎng)格劃分與材料模型

密封條網(wǎng)格劃分采用四邊形單元，為更好模擬密封條截面邊界，控制徑向單元尺寸為0.5mm。由于Mooney-Rivlin模型能夠較好地?cái)M合不可壓縮橡膠材料中等應(yīng)變范圍的應(yīng)變能函數(shù)，因此被廣泛應(yīng)用于超彈性材料的模擬中，本文中采用該模型。二參量Mooney-Rivlin模型的應(yīng)變能函數(shù)為

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

(1)

式中：c10和c01為材料系數(shù)，由材料基礎(chǔ)力學(xué)性能試驗(yàn)(單軸拉伸、單軸壓縮、雙軸拉伸、平面剪切、體積試驗(yàn)等)數(shù)據(jù)擬合得到；I1和I2分別為橡膠材料的第一和第二應(yīng)變不變量。車窗各段密封條材料見表1。

表1 車窗各段密封條材料

1.2 仿真結(jié)果分析與剛度系數(shù)擬合

圖1為前端導(dǎo)槽密封條截面在平衡位置時(shí)的柯西應(yīng)力分布圖，以該位置為位移零點(diǎn)，外側(cè)唇邊過壓至完全壓緊，內(nèi)側(cè)唇邊過壓2mm，得到力-位移曲線，使用一次函數(shù)進(jìn)行最小二乘擬合，結(jié)果見圖2。同理可分別得到上下左右四側(cè)密封條剛度系數(shù)：前端導(dǎo)槽2.798 8N/mm，后端導(dǎo)槽11.095 5N/mm，頂端導(dǎo)槽6.007 6N/mm，水切2.801 0N/mm。

2 車窗玻璃風(fēng)壓載荷的轉(zhuǎn)換

2.1 模型與計(jì)算域設(shè)置

圖3為本文中所采用的整車模型。為減少計(jì)算量，在建模過程中進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，忽略后視鏡和雨刮器等外凸裝置，將底盤簡(jiǎn)化為平面。車輛外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為4000mm×1600mm×1450mm。

2.2 邊界條件設(shè)置

根據(jù)我國(guó)高速公路法規(guī)120km/h限速的規(guī)定，并參考已有研究中關(guān)于側(cè)風(fēng)仿真模擬的結(jié)論[7]，選取典型的六級(jí)風(fēng)力橫風(fēng)條件為工況(取風(fēng)速為12.3m/s)，車速100km/h(即27.78m/s)，設(shè)置邊界條件見表2，采用合成風(fēng)方法[5]在ANSYS Workbench平臺(tái)下進(jìn)行仿真模擬，所采用的計(jì)算域?yàn)殚L(zhǎng)方體[5]，設(shè)置為(長(zhǎng)×寬×高)40000mm×12000mm×10000mm，如圖4所示。

表2 邊界條件設(shè)置

2.3 基本方程和湍流模型

汽車外流場(chǎng)一般為定常、等溫和不可壓縮三維流場(chǎng)，采用單向流固耦合穩(wěn)態(tài)計(jì)算。由于車身外形復(fù)雜易引起分離，所以采用SST湍流模型，該模型考慮到湍流剪切應(yīng)力的輸運(yùn)，綜合了k-ω模型適宜于低雷諾數(shù)情況下的近壁處理和k-ε模型在邊界層以外區(qū)域表現(xiàn)良好的優(yōu)點(diǎn)[8]，應(yīng)用開關(guān)函數(shù)F1將兩個(gè)模型結(jié)合起來，因此在數(shù)值試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出其準(zhǔn)確及時(shí)預(yù)測(cè)分離的特性[9]。

SST湍流模型為

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代表變形后的k-ε模型；k為湍流動(dòng)能；ε為湍能耗散率；ω為湍流頻率；ρ為空氣常溫常壓下的密度；y為壁面邊界層瞬時(shí)厚度。

上述式中所需參數(shù)可依據(jù)參考文獻(xiàn)[9]設(shè)為β′=0.09和σω2=1/0.856。

為獲得正確的輸運(yùn)特性，模型中黏性系數(shù)ν需重新定義為渦黏性系數(shù)νt：

(6)

其中：

F2=tanh(arg22)

(7)

(8)

式中：常數(shù)α1=5/9；s為應(yīng)變率的不變測(cè)度[9]。

2.4 網(wǎng)格劃分

由于汽車外表面曲面形狀復(fù)雜，采用Delaunay方法，在生成三角形面網(wǎng)格的基礎(chǔ)上映射生成四面體網(wǎng)格，在汽車外表面及近表面處生成多層菱形網(wǎng)格，周圍網(wǎng)格局部加密，提高邊界層的計(jì)算精度，在整個(gè)計(jì)算流域生成非結(jié)構(gòu)化空間網(wǎng)格，可更好地適應(yīng)不規(guī)則區(qū)域，如圖5所示。

2.5 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證流固耦合計(jì)算模型的可行性，針對(duì)本文中所用整車模型進(jìn)行了風(fēng)阻系數(shù)CD的理論計(jì)算，并與原型車的公開試驗(yàn)值進(jìn)行比較驗(yàn)證[10]。風(fēng)阻系數(shù)為

(9)

式中：F為汽車受到的空氣阻力；S為車身迎風(fēng)面積；ρ為空氣密度；v為車速。

風(fēng)阻系數(shù)CD的計(jì)算值為0.315，而試驗(yàn)值為0.33，誤差為4.55%，說明流固耦合模型與實(shí)際情況接近，所得結(jié)論能夠反映風(fēng)壓載荷對(duì)車身外流場(chǎng)的作用效應(yīng)。

2.6 結(jié)果分析

通過后處理得到前后四面車窗上的風(fēng)壓分布見圖6。迎風(fēng)面的車窗玻璃在靠近反光鏡處受到向內(nèi)側(cè)的正壓，而在對(duì)角處則受到向外側(cè)的負(fù)壓；在背風(fēng)面，車窗受到以向外側(cè)的負(fù)壓為主的風(fēng)壓載荷。

3 車窗玻璃位移與密封條變形分析

取汽車兩側(cè)前車窗進(jìn)行玻璃位移與密封條變形分析。

3.1 玻璃實(shí)體建模與載荷傳遞

通過截取車身外形上風(fēng)窗玻璃區(qū)域的曲面，根據(jù)實(shí)際玻璃外形與厚度重構(gòu)玻璃實(shí)體，由于嚴(yán)格保證了全局坐標(biāo)與幾何形狀的一致性，依據(jù)流場(chǎng)建模為參考，采用相同的三角形網(wǎng)格，0.5倍的網(wǎng)格尺度，最終得到在左前窗98%、右前窗100%的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)映射到了流場(chǎng)模型表面，剩余的節(jié)點(diǎn)被映射到最近的邊緣或者節(jié)點(diǎn)上，載荷傳遞成功率高，效果良好，圖7為右前窗風(fēng)壓載荷傳遞加載示意圖(結(jié)構(gòu)加載中風(fēng)壓以矢量箭頭顯示，正壓即指向外側(cè)+X，負(fù)壓即指向內(nèi)側(cè)-X)。

3.2 邊界條件的設(shè)置和材料屬性

根據(jù)1.2節(jié)中得到的各密封條的擬合剛度系數(shù)，在相應(yīng)位置施加彈性支撐，玻璃與升降器連接的鉸鏈處施加固定約束，玻璃采用一般車用鋼化玻璃，具體材料屬性為厚度3.5mm，密度2 500kg/m3，彈性模量74GPa，泊松比0.25。

3.3 結(jié)果分析

圖8示出玻璃受風(fēng)壓載荷作用下的位移云圖。迎風(fēng)面由于受到部分正壓與部分負(fù)壓作用，玻璃在自身原曲面上發(fā)生一定的翹曲，前端向外側(cè)偏移，后端向內(nèi)側(cè)偏移，最大位移約為0.17mm，位于前端導(dǎo)槽處，見圖8(a)；背風(fēng)面則完全受到負(fù)壓作用，玻璃整體向外偏移，最大位移約為1.9mm，位于頂端導(dǎo)槽處，見圖8(b)。前端導(dǎo)槽密封條外側(cè)唇邊完全壓緊時(shí)的位移為1.65mm，頂端導(dǎo)槽密封條外側(cè)唇邊完全壓緊時(shí)的位移為1.8mm，它們已經(jīng)超出了這兩處外側(cè)唇邊的最大位移，說明A柱頂端處導(dǎo)槽密封條外側(cè)唇邊處于完全壓緊狀態(tài)。

4 結(jié)論

(1) 為研究整車高速工況下車窗玻璃位移與密封條變形情況，采用SST湍流模型，將車身整體所受外流場(chǎng)風(fēng)壓映射為車窗局部外載荷，通過最小二乘擬合，將車窗導(dǎo)槽非線性密封約束簡(jiǎn)化為彈性支撐。使用“約束擬合”與“載荷映射”兩步法建立車窗密封作用機(jī)理模型。

(2) 計(jì)算結(jié)果表明，迎風(fēng)面主要受到正壓與部分負(fù)壓作用，玻璃在自身原曲面上發(fā)生翹曲，位移較小；而背風(fēng)面完全受到負(fù)壓的作用，A柱頂端附近導(dǎo)槽密封條外側(cè)唇邊處于完全壓緊狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致密封性變差。

(3) 依據(jù)計(jì)算結(jié)果，針對(duì)車窗表面受到不均勻風(fēng)壓的情況，建議對(duì)頂端密封條采用壓縮負(fù)荷更大的截面和變截面的設(shè)計(jì)方法，可將玻璃位移控制得更小，使其不易產(chǎn)生泄露噪聲。

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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

*國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51275359)、青浦-同濟(jì)科研合作平臺(tái)項(xiàng)目(2011年,2013年)和上海市復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)數(shù)字化制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(2012005)資助。

原稿收到日期為2014年5月5日，修改稿收到日期為2014年7月3日。