某乘用车天窗风振噪声参数化分析与优化

李小梅，李书阳, 庞崇剑, 顾晓丹,侯兆平

(上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007)

0 引言

当行驶中的汽车在天窗或侧窗打开时，车内通常产生强烈的轰鸣声，这种噪声被称为风振噪声[1-4]。天窗打开的汽车在气流中运动，车身表面存在一层不稳定的气流剪切层，剪切层遇到天窗前部边缘处，车身表面的漩涡脱离车身并随着剪切层气流向后运动。当漩涡碰到天窗的后边缘时，漩涡破裂并产生向四周扩散的压力波。传到车外的一部分压力波到达开口的前缘，将再次引发涡旋的脱落。这个过程每秒钟会重复很多次，并且引起剪切层产生一个特定的振动频率。如果这个频率与车厢的固有频率相同，将会发生共振，这种类型的共振称为亥姆霍兹共鸣[5]。

本文作者针对某乘用车存在的天窗风振噪声问题，利用CFD方法对其进行仿真分析，并与道路试验结果进行对比，验证了数值仿真分析的有效性。通过对比天窗扰流板不同高度和倾角度的天窗风振噪声，总结了扰流板高度和倾角度对天窗风振噪声的影响规律，并在此基础上提出了导流板的改进建议。

1 汽车风振噪声产生的机制

汽车在低速行驶时，开启天窗的过程伴随着风振噪声的产生。开窗的车身声腔可以看成是一个赫尔姆兹谐振腔,则赫尔姆兹谐振腔的频率可以由公式(1)表示：

(1)

其中：f为谐振腔的频率；c为风速；A为谐振腔的开口面积；V为谐振腔的容积；l为谐振腔的开口高度[1]。

可见腔体的共振频率取决于车速、开口大小及腔体的空间大小。

2 初始模型天窗风振分析

2.1 有限元模型建立

计算模型为某SUV乘用车，把外饰模型[如图1(a)所示]和内饰模型[如图1(b)所示]按1∶1的比例导入到HyperMesh中建立三维模型，对车身模型进行处理，分析模型基本包括所有对天窗风振有影响的部件。

图1 计算模型

在模型外部建立一个长方体计算域，模拟汽车周围的空气流动，如图2所示。计算域长度为9倍车长，宽度为6倍车宽，高度为4倍车高。

对面网格进行检查和修复后生成体网格，对体网格进行适当加密，可以有效提高计算的精度，尤其是天窗区域等容易引起气流分离的部件。网格加密如图3所示，监测点为驾驶员右耳。

图2 计算域

图3 网格加密侧视图

2.2 边界条件设定

计算采用显示全瞬态分析方法，设定入口速度60 km/h；出口为压力出口边界，出口压力为0；地面为滑移壁面，速度为60 km/h；汽车表面为壁面边界，壁面为绝热非滑移壁面。

2.3 仿真结果及分析

观察整车天窗风振噪声结果声压级曲线图(图4)，可知：初始模型天窗共振频率为19.98 Hz，风振噪声峰值为100 dB。

图4 声压级曲线

观察天窗区域压力云图(图5)，气流经过天窗扰流板上缘后，形成强大涡流，直接打在天窗后缘，产生向四周扩散的压力波，从而形成共振噪声。

由图5可知：天窗扰流板对气流的导流作用效果非常明显。为了改善天窗风振噪声，合理地设计扰流板可以将气流向后导流，避免气流直接打在天窗后缘。直接影响扰流板导流效果的关键因素是扰流板的垂直高度和倾角度，因此后期进行参数化研究时主要从这两个方面选取参数。

图5 天窗区域压力云图

2.4 仿真与试验对比

观察仿真与道路试验结果对比图(图6)，仿真与测试结果高度一致，峰值相差在6 dB(A)以内，且峰值对应的共振频率一致。误差在控制范围以内，说明此次数值仿真分析方法的有效性和准确性。

图6 仿真与测试结果对比

3 参数化设计分析

3.1 设计参数选取

扰流板的垂直高度和倾角度是直接影响扰流板导流效果的关键因素，因此选取扰流板的高度和倾角度作为设计参数，参数示意见图7。

由于整车造型要求及零件结构设计的限制，各个设计参数均需要满足一定的设计范围要求。扰流板高度参数选取见表1，扰流板倾角度参数选取见表2。

图7 参数示意

表1扰流板高度参数选取

方案高度/mm角度/(°)方案一4535方案二5035方案三5535方案四6035方案五6535

表2 扰流板倾角度参数选取

3.2 设计样本计算结果及分析

在扰流板倾角度保持不变的情况下，对扰流板高度进行参数化分析。对扰流板高度分别为45、50、55、60、65 mm时进行数值仿真。仿真分析结果如图8所示，可知：扰流板的垂直高度越大，越有利于天窗风振噪声的抑制。

图8 高度对风振的影响仿真优化与风洞试验结果对比

在扰流板垂直高度保持不变的情况下，对扰流板倾角度进行参数化分析。对扰流板倾角度分别为15°、25°、35°、45°、55°时进行数值仿真。仿真分析结果如图9所示，可知：扰流板的倾角度小于35°时，随着角度的增大，天窗风振噪声越大；扰流板的倾角度大于35°时，随着角度的增大，天窗风振噪声越小。

图9 角度对风振的影响仿真优化与风洞试验结果对比

4 结论

通过整车三维建模对某乘用车型进行了天窗风振噪声数值仿真分析，全面评价了该车的风振噪声水平，找出潜在的优化改进区域，并对影响天窗风振噪声的关键因素进行参数化研究，为后续车型的天窗扰流板设计提供数据支持。

(1)通过对初始模型进行天窗风振噪声仿真分析，发现影响天窗风振噪声的主要因素是扰流板的垂直高度和倾角度。

(2)通过对比数值仿真分析与道路测试结果，发现仿真与测试结果高度一致，可认为该次仿真分析方法的有效性和准确性。

(3)对天窗扰流板的垂直高度进行参数化研究，发现扰流板垂直高度越大，对改善天窗风振噪声效果越有利。

(4) 对天窗扰流板的倾角度进行参数化研究，发现扰流板倾角度为35°时，天窗风振噪声最大。