浮动式汽车天窗气力密封有限元分析研究

冯莉 付振杰

摘 要：随着人们物质生活的日益需求，每年汽车客户的期望越来越高，对汽车舒适度要求更加高，汽车天窗在整个汽车舒适度方面占有很大的影响因素，针对密封性能高的天窗只出现在高端轿车上的问题，设计了一款浮动式汽车天窗气力密封装置，并且运用了CFD模拟，通过Navier-Stokes方程求解车辆的外部流场，并计算车辆表面周围的气动压力分布，提取并绘制车辆天窗玻璃上的空气动力学压力，并利用ANSYS Workbench软件开发一个有限元模型，通过计算玻璃上的变形来定义柔性部件的效果。

关键字：CFD模拟;流场分析;空气动力学压力;有限元分析

Abstract： With the increasing demand of people's material life， the expectations of automotive customers are getting higher and higher each year， and the car comfort requirements are even higher. Car sunroofs have a great influence on the overall car comfort. Skylights with high sealing performance only appear. In the case of high-end cars， a floating car sunroof pneumatic seal was designed， and CFD simulation was used to solve the external flow field of the vehicle through the Navier-Stokes equation， and the aerodynamic pressure distribution around the vehicle surface was calculated， extracted and plotted The aerodynamic pressure on the vehicle's sunroof glass， and the use of ANSYS Workbench software to develop a finite element model to define the effect of flexible components by calculating the deformation on the glass.

Keywords： CFD simulation; Flow field analysis; Aerodynamic pressure; Finite element analysis

前言

随着人们经济生活的日益增长，汽车已经成了每个家庭的必备品，在安全性得到最大的保障的前提下，驾驶舒适性也备受人们的关注，其中汽车天窗占有很大的影响力。轿车电动天窗是轿车车身系统中最大的组成部分总成，它具备采光性能好，车内的PM2.5（空气质量）得到改善，轿车档次得到提高等功能，由此，轿车天窗的质量和舒适度越来越受到人们的关注。

但是，就目前的国内天窗市场而言，百分之八十以上的市场份额仍然被德国伟巴斯特车顶公司所垄断。为了改变国外公司的技术封锁和市场垄断的现状，增强国内轿车主要零部件产品的自主研究开发能力及国内轿车天窗公司的市场竞争，就必须采用现代设计研发技术对轿车的天窗进行开发研究。本文介绍的是利用一款汽车气力式密封装置对汽车进行密封，并且根据汽车的不同时速对密封装置进行分析。

1 CFD方法描述

1.1 基本原理

计算流体力学（Computation Fluid Dynamics），简称CFD，计算机通过数值计算和显示图像，对含有流体/流动等相关物理现象的系统所做的的分析，CFD的基本原理可以总结为：把原来在时间域以及空间域的连续的物理量的场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，然后建立变量之间的关系的代数方程组——控制方程，求解后获得场变量的近似值。[1]

1.2 控制方程

汽车车身气动性能的模拟隶属求算汽车湍流流动问题，Navier-Stokes方程是计算汽车表面流场流动模拟的方程，它的微分形式是：

3.2 CFD分析具体参数设置

计算模型计算域各面的边界条件如下：

（1）入口条件：入口边界为速度入口（velocity-inlet），分别按照汽车速度30m/s、50m/s、70m/s、100m/s。

（2）出口边界条件：出口边界为压力出口（pressure- outlet），出口表压为0。

（3）固体边界：车身表面为计算域墙面（wall）。

设置完之后的气流运行方向如下图2所示。

3.3 求解器设置

本次模型采用的是Fluent求解器，空气密度1.225kg/m3，空气温度为25℃，计算域的车头方向为入口，车尾方向为出口，其余为墙面，流场流速分别为30m/s，50m/s，70m/s，100m/s，边界条件出口压力值为0Pa，计算出的残差变化曲线如下图3所示。

4 CFD计算结果分析

經过计算机计算，我们可以得到汽车分别在30m/s，50m/s，70m/s，100m/s时的汽车顶部的压力云图，绘制曲线如下表1所示。

其中，u、v、w表示的都是三维方向上的所在的速度矢量;

每个矢量下标x、y、z各自表示的是对x、y、z的变量导数。

由于N-S方程的复杂性，以目前的计算机技术而言，全球范围内还不能得以实现，雷诺方程使用最为频繁，这种计算方法重点在于湍流引起的平均流场变化时整体的效果。

2 CFD的分析过程

首先利用CATIA三维模型软件对三维模型进行建模，利用ANSYS Workbench中的DM打开三维模型，在划分网格时，采用CFD的Physical Preference，求解器采用CFX对流动区域进行求解，并计算进行结果后处理。

FLUENT软件对模型求解的具体步骤：

（1）在CATIA中建立汽车三维模型，在DM中导入模型。

（2）在Mech中确定几何模型，选择求解器CFX，生成计算网格。

（3）在Mech中设定边界条件，入口input、出口output和边界wall。

（4）在设置中设定流速、介质等。

（5）求解以及结果后处理。

3 汽车气动性能的CFD模拟

3.1 汽车模型的建立和计算

本文研究的对象经过模型简化，在不改变整体流场的流动轨迹的情况下，将研究的车辆的后视镜等进行简化，具体分析车身在流场中的速度变化以及压力显示，经过研究，将汽车模型的整体尺寸确定，长4500mm，宽2300mm，高1500mm。

首先将模型导入DM模块，建立流场，尺寸为：长5000 mm，宽300mm，高2000mm。其中车头所指的方向为进口，车尾为出口，车身定义为墙面。

采用六边形网格划分，设置最小网格为20mm，划分节点个数为249961，单元个数为1271127，进行网格划分如下图1所示。

5 浮动式汽车天窗气力密封的总体结构和工作原理以及静力学分析

5.1 总体结构

浮动式汽车天窗气力密封的总体结构由玻璃、O型环状密封圈、天窗压力感应器、导气管、气缸、出气管组成。

5.2 工作原理

汽车在高速运动下，空气对汽车天窗产生了不同的压力，通过天窗压力感应器将数值传递给控制单元，控制单元经过计算将所需的空气量传递给气缸，气缸对O型环状密封圈进行充气，将密封圈充满后对天窗玻璃进行密封，从而达到不同时速下都能实现气力密封的效果。

参考文献

[1] 周玉成，李擎.汽车天窗密封条粘接新工艺研究[J].汽车实用技术， 2019（13）：207-208.

[2] 陈卫华，陶略，毛瑞杰，等.汽車天窗密封条自动下料机设计[J].制造技术与机床，2018（07）：162-166.

[3] 郭婷婷.汽车天窗滚边工艺仿真分析及实验研究[D].合肥工业大学，2016.