摘要随着汽车行业竞争的加剧|车门关闭过程中乘员舱压力的CFD仿真与验证

摘要
随着汽车行业竞争的加剧，用户越来越关注汽车的质感。而车门作为第一个和用户接触的物理和触觉接口，对用户对车辆的印象有着十分重要的影响。为研究用户对车辆质量的主观感受，需要分析关门力的影响因素。除了由于机械子系统（如止回杆或铰链的摩擦）造成的损失外，其他部分最大的影响是车门卷入空气而形成的压力峰值。本文讨论了乘员舱压力和气体出口对关门的影响，介绍了一种模拟关门过程中气压变化的方法，并用“EZ-Slam”测量装置验证了模拟方法的有效性。为了验证仿真和实际之间的相关性，建立了一个简化的汽车座舱模型。完全按照模型建造的物理试验台上进行了验证试验，并在该试验台的CAD模型上进行了CFD模拟。为了显示CFD方法和物理试验程序之间的相关性，确定并测试了一组影响参数对压力峰值的影响。
简介
由于关门的力度在客户对车辆整体质量的感知中占有很大的比例，为了使客户能够尽可能舒适地进行开门和关门动作，有必要对各种影响因素进行控制和优化。其中包括车门重量（由于铰链轴倾斜）、铰链摩擦、门闩模块的运动学和车门密封系统的压缩，另一个无法直接估计的因素是车门关闭过程中乘员舱压力的变化，这取决于车门面积、相应车辆的乘员舱容积和气体出口等因素。在上述的情况下，关门运动可分为几个阶段。起初，门是敞开的，大部分排出的空气可以通过车身之间的缝隙和门逸出到环境中。当整个密封圈与车身接触时，随着车门角度的减小，该间隙减小，直至达到零。间隙越小，进入座舱的空气越多，导致气压升高。在车门完全关闭后，峰值压力再次降低，因为空气可以通过静态车身泄漏区域和泄压孔的逸出。目前，对车门关闭的一般评估仅在有物理车辆原型时进行。除了经验值之外，还不能准确预测闭合力，尤其是开发过程中空气压力的影响。这就是本文所述研究的原因，本文的核心在于开发一种模拟方法来描述关门运动期间的空气压力。仿真采用STAR-CCM+软件进行。利用测量装置EZ-Slam对仿真结果进行了验证。在此基础上，建立了一个简化的汽车驾驶室模型，对其进行了物理建模和网格划分。
建模与物理基础
所有模拟和验证试验的基础是车辆驾驶室和车身结构的简化物理模型。图1所示为所选车辆简化的示意图。它表示CAE模拟和物理验证测试的基础。我们将汽车座舱简化为几个影响乘员舱压力的因素和特征。 Wagner等人和Schumack等人在也使用了类似的模型。

图1考虑车门关闭过程中气压变化的车辆乘员舱和车身结构简化模型
为了说明关门期间驾驶室内压力增加的所有影响因素，需要设置边界条件。在模型边界条件设置如图2所示。

图2车辆内部周围的系统边界
空气压力的增加主要受以下参数的影响。
1.乘员舱容积
理想气体定律的状态方程（在本研究中，空气被认为是理想的）描述如下：
为了估计座舱容积对气压的影响，我们假设温度和质量是恒定的。根据方程式（1），压力的变化与体积变化：
2.关门速度
关门速度称为车门外缘的平动速度。研究表明，关闭速度和机舱内压力增加之间存在线性关系。关闭速度越高，压力峰值越高。对于旋转系统“铰链门” ，门边缘的关闭速度由围绕铰链轴的角速度来描述。定义如下：