汽车外后视镜风致振机理与特性

兰巍 和生泰 胡兴军 郭峰 王泽伟

摘   要：使用DrivAer簡化模型，采用双向流固耦合方法对外后视镜的风致振特性进行研究 ，在STAR-CCM+中进行流场计算、采用Abaqus进行固体仿真，在协同仿真平台交换数据. 仿真对比研究了后视镜固定与振动以及有无侧风时的尾流结构和振动特性. 研究结果表明，受车身影响，后视镜边缘脱落的旋涡在尾流中未充分发展 ，涡激振动作用很小，镜面振动主要受风速主导，振动频率锁定于27.8 Hz不变，振幅随风速的提高而增强;当存在侧风时，流场对后视镜的作用力紊乱，低频区不再显示主频作用，且镜面振动加剧，此时涡脱在尾流中充分发展，恢复了较强的约164.5 Hz的高频涡激振动作用.

关键词：外后视镜;风振特性;双向流固耦合;汽车空气动力学;流场;车辆工程

中图分类号：U461.1                                文献标志码：A

Wind-induced Vibration Mechanism and

Characteristics of Automobile Exterior Mirrors

LAN Wei，HE Shengtai，HU Xingjun？覮，GUO Feng，WANG Zewei

（State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control，Jilin University，Changchun  130022，China）

Abstract：The wind-induced vibration of the car rearview mirror blurs the image， which brings great danger to driving safety. The method of two-way FSI（Fluid-Structure Interaction）was applied to the numerical simulation on the vibration problem of rearview mirror caused by airflow around the Driver model. STAR-CCM+ and Abaqus were used for co-simulation. According to the comparison and analysis of the vibration characteristics of fixed rearview mirror as well as the rearview mirror with wind-induced vibration at different flow velocity and under the condition of side wind， the conclusion can be drawn as follows： as it is affected by the vehicle body， the vortex falling from the edge of mirror is difficult to develop in the wake， which limits the vortex-induced vibration. The mirror vibration is dominated by the wind speed， the vibration frequency is maintained at 27.8 Hz，and the higher wind speed results in the larger amplitude. When there is crosswind，force of the flow field on the rearview mirror is disordered， dominant frequency disappears in the low frequency area， and the vibration intensifies. In this situation， the vortex is fully developed in the wake， which induces the strong vibration of about 164.5 Hz.

Key words：exterior rear view mirror;wind vibration characteristics;bidirectional  fluid-solid interaction;automobile aerodynamics;flow field;vehicle engineering

汽车行驶时气流在后视镜壳边缘处发生分离后形成尾流，由于尾流区卷涡的不断形成和脱落，对后视镜形成了不断变化的气动力，且后视镜尾流导致了后视镜镜面压力分布不均，这是造成后视镜振动和噪声的原因之一. 另外，在整车环境下，外后视镜尾流受车身以及A柱的影响，流场及其作用力变化复杂，尤其存在侧风时，由于A柱区气流分离和再附着点不断变化而使后视镜受力也更加复杂.

在某些振动频率下，人的大脑很难处理图像信息，一定频率的后视镜振动可能造成驾驶员对图像产生错觉，且容易引起眼疲劳，威胁到汽车行驶安全性. 国内外研究专家在有关方面做了许多研究.Watkins[1]通过研究在气动力激励下的后视镜旋转振动，得出周围流场的不断变化导致了后视镜的振动. Alam[2]、Haruna等人[3]发现后视镜附近区域气流产生的压力波动是后视镜振动的主要原因，且后视镜位于A柱侧后方的分离区内，存在侧风时，该处的流场情况将变得更为复杂. Homsi等[4]研究结果表明，后视镜尾流区形成的涡脱落现象是造成气动力波动的主要原因，后视镜外形和气流方向决定着涡脱频率. Xiong 等[5]使用有限元方法研究了汽车后视镜的振动，得出了外后视镜在0～100 Hz时出现最大振幅，振幅随车速的增大而增大，由于外后视镜的前6阶模态频率均在100 Hz以下，所以在100 Hz以下范围内容易导致后视镜产生共振. 王靖宇等人[6]研究了单个后视镜的风致振动问题，未考虑车身对后视镜尾流和振动的影响，与实际情况有很大差别.

考虑到车辆的对称性，本文仅取左后视镜进行振动分析，流固耦合交界面为镜壳内外表面和后视镜镜面，整车剩余部件均作为刚体处理.

3.2   结果分析

在不同车速下后视镜振动位移的频谱图如图6所示. 当车速V = 20 km/h时，后视镜振动幅值较小;当车速V = 30 km/h时，振幅有小幅增加;当车速V≥70 km/h时，振幅随车速的提高呈现几乎线性的增加;当车速V = 180 km/h时，振幅达到了最大值，但是振动频率随车速的提高未出现明显增加. 在各车速下后视镜振动的收敛性较好.

接下来定量分析不同车速下外后视镜的振动情况. 表3为不同车速下的振动参数，表中fs表示外后视镜固定时的漩涡脱落频率，fs*表示风致振外后视镜的漩涡脱落频率. 由表3可以看出，在车速V = 30 km/h时，外后视镜固定和振动时的漩涡脱落频率之间的差值增大，振动外后视镜的涡脱频率较固定外后视镜的涡脱频率高很多;在其他车速下外后视镜固定和振动时的漩涡脱落频率之间的差值很小.当车速V = 20 km/h时，外后视镜主要以中高频27.8 Hz振动，同时存在有5.3 Hz的微弱低频振动，低频振动的振动位移幅值约为中高频振动位移幅值的1/6，漩涡脱落频率与低频振动频率差值很小，可见低频振动是因漩涡脱落而产生的，此时产生了微弱的涡激振动;当车速V = 80 km/h时，后视镜位移振动频率分裂为中高频与高频;当车速V ≥ 30 km/h时，涡脱频率与后视镜固有模态频率相互错开且二者差值不断增大，此时涡脱频率与振动频率差值也很大，振动频率一直锁定在27.8 Hz不再发生变化，振幅随风速的提高呈现接近倍数的增大，说明此时旋涡脱落对振动的影响很小，涡激振动作用消失，振动随风速的提高而增强. 王靖宇等人[6]对单个后视镜的研究表明，由于后视镜尾流不受车身影响，低速时后视镜形成强烈涡激振动，随风速的提高振动先减弱后增强. 而整车后视镜尾流受车身影响，低速时未形成很强烈涡激振动，这与单个后视镜的研究结果不同.

后视镜的振动受升力和阻力影响的同时也会受到表面压力的影响，表面压力分布反应了附面层的分离，压力分布通过镜面压力系数云图来表示，图7 为不同车速下镜面压力系数云图. 由图7得如下结论：在不同车速下后视镜镜面压力均显示为负值，表明来流在后视镜壳边缘发生分离后未再次附着，此外在不同车速时的后视镜镜面压力分布趋势相似，均表现为接近车体的内侧压力较大，在后视镜镜面的右上方出现压力的最大值，沿着镜面的斜对角压力逐渐减小，在镜面的左下方压力达到最小值. 镜面在上述压力变化过程中，在外后视镜镜面的内侧与外侧之间形成了一定的压力差，由于受到了内外侧压力差的作用，镜面呈现失稳的趋势. 由图7结合表3可以得出，随着风速不断提高，流场在镜面造成的压差不断增大，造成镜面振动强度随风速的提高而不断增强. 故镜面压差随风速的变化是后视镜振动受风速主导的主要原因.

取与固定后视镜相同的截面，得到横纵截面二维速度标量云图如图8所示. 后视镜尾流由于受到车身A柱等部件的影响，镜面附近脱落的旋涡未充分发展，在尾流中没有形成规则、周期性交替脱落的旋涡，限制了涡激振动的作用. 上下两个拖拽涡区域有限，拖拽涡尺寸随着来流速度的提高而逐渐变小，拖拽涡的分界线也越来越清晰，能量逐渐积聚. 与固定后视镜相比，振动后视镜在风速为20 km/h时后视镜尾流区即与车底流场产生明显分界，而后视镜固定在风速为30 km/h时才出现明显分界，且固定与振动后视镜在风速30 km/h时涡脱频率相差很大，说明低速时后视镜的振动会对流场产生很大的影响.

4   侧风下后视镜的数值模拟

采用与无侧风时相同的边界条件，对比车辆在12°偏航角与无偏航角时，速度为140 km/h时的流场以及后视镜振动情况，确定车身对后视镜的影响程度与侧风下后视镜的振动变化. 图9为有侧风时计算域示意图.

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图10为有侧风和无侧风时后视镜的升力系数频谱图. 当无偏航角时后视镜升力频谱图仅显示为一定的主频作用;当12°偏航角时后视镜处于背风区，其在低频区受到了紊乱而无规律的作用力，而在高频区受到了一个高频作用力，该频率略大于无偏航角时的升力主频，该频率即為涡脱频率f * = 164.55 Hz.

图11和图12分别为有无侧风时振动位移的时程图和频谱图. 当无侧风时，振动位移变化幅度小且振动逐渐收敛稳定，振动频率锁定在主频27.8 Hz不变，结合升力频谱图与表3可以看出，涡激振动作用很小. 当存在侧风时，因后视镜受到了流场剧烈变化且紊乱的作用力，振动的位移变化幅度很大，振幅也很大，低频区主频作用消失，出现了连续变化的频率，同时在高频f = 164.55 Hz处出现了主频作用，此振动频率与涡脱频率相同，说明有侧风时又恢复了较强的涡激振动作用.

图13为有无侧风时后视镜速度标量云图（截面相同）. 由图13可以看出，无侧风时镜面处的旋涡区域有限，在尾流中未形成明显的脱落旋涡，限制了涡激振动作用;而有侧风时，受车身影响，旋涡在尾流区域延伸发展，形成了规则交替脱落的明显旋涡，从而又恢复了较强的涡激振动作用，进一步证明了上述结论.

为了进一步研究侧风下后视镜振动加剧的原因，作出镜面压力系数云如图14所示. 由图14可知，后视镜镜面压力均显示为负值，表明来流在后视镜壳边缘发生分离后未再次附着. 有偏航角时的镜面压力变化趋势与无偏航角时相似，接近车体的内侧压力较大，在后视镜镜面的右上方出现压力的最大值，沿着镜面的斜对角压力逐渐减小，在镜面的左下方压力达到最小值. 不同的是有偏航角时镜面左下方低压区面积更大，压力值更低，而高压区相对集中. 镜面压力沿对角线变化的过程中，在镜面两端形成了较大的压差，该压差使后视镜镜面失稳. 有偏航角时，镜面所形成的压差更大，从而产生了更大的振动位移.

5   结   论

1）车身及有无侧风对后视镜尾流和振动特性

有很大的影响，有无侧风时后视镜风致振特性相差很大;后视镜固定与振动对后视镜涡脱频率和尾流结构也会产生较大影响.

2）后视镜尾涡受车身影响未充分发展形成规

则交替脱落的旋涡，且涡脱频率与后视镜固有频率相互错开，限制了涡激振动作用;沿镜面对角线的压差导致后视镜失稳振动，随风速的提高振幅不断增大，但频率锁定于27.8 Hz不变，此时振动受风速主导.

3）有侧风时，车身对后视镜流场的影响进一步加强，致使后视镜所受作用力不再呈现主频作用，在低频区连续变化且紊乱无规律，而在高频区产生大于无偏航角时的主频作用，该主频即为涡脱频率.

4）有偏航角时，尾流区旋涡得到延伸发展，形成规则交替脱落的旋涡，因此恢复了较强的约165 Hz的高频涡激振动;且因后视镜所受低频连续紊乱的作用力及镜面压差增大，镜面振动加剧.

参考文献

[1]    WATKINS S. On the causes of image blurring in external rear view mirrors [J]. SAE Transactions，2004，113（6）：875—884.

[2]    ALAM F. The effects of car a-pillar and windshield geometry on local flow and noise[D]. Melbourne：Department of Mechanical and Manufacturing Engineering，RMIT University，2000：8—12.

[3]    HARUNA S，NOUZAWA T，KAMIMOTO I，et al. An experimental analysis and estimation of aerodynamic noise using a production vehicle[R]. Washington DC： SAE International，1990：15899—15905.

[4]    HOMSI E，NARAIN M. Vibration control of body-mounted plastic mirror design[R]. Washington DC：SAE International，1998.

[5]    XIONG C C，CHEN H Y，FAN Z. Wind-induced vibration of the rear-view mirrors of car at high speed[J]. Applied Mechanics and Materials，2014，494： 63—67.

[6]    王靖宇，于旭涛，胡兴军，等. 汽车外后视镜流致振特性及其流动机理[J].吉林大学学报（工学版），2017，47（6）：1669—1676.

WANG J Y，YU X T，HU X J，et al. Fluid-induced vibration and flow mechanism of automotive external rearview mirror[J]. Journal of Jilin University（Engineering and Technology Edition），2017，47（6）：1669—1676. （In Chinese）

[7]    王述建. 大货车后视镜震动工况原因实测实验及仿真研究[J]. 汽车零部件，2013（6）：43—46.

WANG S J. Simulation research and detecting experiment on vibrate cause of heavylorry′s rearview mirror in driving cycle[J]. Automobile Parts，2013（6）：43—46. （In Chinese）

[8]    任安禄，王焕然. 利用分区ALE算法数值模拟援助湍流涡致振动[J]. 空气动力学报，2008，26（4）：544—548.

REN A L，WANG H R. Numerical simulation of turbulent vortex induced vibration of a circular cylinder adopted ALE domain decomposition method[J].Acta Aerodynamica Sinica，2008，26（4）：544—548.（In Chinese）

[9]    LYN D A，EINAV S，RODI W，et al. A laser-doppler velocimetry study of ensemble-averaged characteristics of the turbulent near wake of a square cylinder[J]. Journal of Fluid Mechanics，1995，304（1）：285—319.

[10]  HEFT A I，INDINGER T，ADAMS N A. Introduction of a new realistic generic car model for aerodynamic investigations[R]. Washington DC：SAE International，2012：2012—01—0168.

[11]  葛如海，高宏范. 基于ABAQUS的汽車后视镜视野稳定性仿真分析[J]. 重庆交通大学学报（自然科学版），2013，32（1）：143—146.

GE R H，GAO H F. Vision stability analysis of rear-view mirror based on ABAQUS[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University（Natural Science），2013，32（1）：143—146.（In Chinese）

[12]  刘旭宇，曾发林，李建康. 大客车后视镜振动性能预测与结构优化[J]. 重庆理工大学学报（自然科学版），2017，31（12）：47—52.

LIU X Y，ZENG F L，LI J K. Vibration performance prediction and structure optimization of passenger vehicle rear-view mirror [J] Journal of Chongqing University of Technology（Natural Science），2017，31（12）：47—52. （In Chinese）