當你準備購買新車時，關上車門時體驗到的聲音和感覺會對我們的第一印象產生微妙而重要的影響。車門對振動很敏感，當關閉不同汽車的車門時，因它們設計和結構的不同，會發出不同的聲音。車門的減震性對于駕駛體驗至關重要。當汽車高速行駛時，氣流流動可能會引起車門和側窗的振動，此振動可能會傳播到乘客座艙，甚至裝飾板和其他內部零件，從而產生令人討厭的噪音。有些人在開車時，可能會因為松弛的皮帶系在 B 柱上振動所發出的噪音而感到煩躁。我無法想象如果內飾板開始發出噪音會發生什么！

高速振動設計的一個重要部分是汽車的空氣動力學。通過建模和仿真可以以合理的精度評估汽車周圍的流場和壓力場。流動施加的波動壓力可用作結構分析中的表面載荷。在這種情況下，評估空氣在高速下施加的力很重要，不僅要考慮大小，還要考慮頻率。

在這篇文章中，我們將研究如何使用大渦模擬(LES)模型來預測高速氣流在跑車車門和側鏡上產生的瞬態力。然后將這些力作為結構分析中的載荷。

為什么要預測跑車而不是普通汽車？因為這樣更好玩！因為我可能永遠不會擁有一輛超級跑車，所以給一輛超級跑車建模可能會讓我獲得一段時間的滿足感……

蘭博基尼 Miura? 被認為是第一輛超級跑車。它是從1966—1973 年生產的。這是 1967 年的 P400 模型。在背景右側，我們可以看到 1972 年發布的另一款經典超級跑車 Ferrari? 512 BB 的尾部。背景左側是 De Tomaso Mangusta? 的尾部，帶有經典的翼式后窗，也是 1967 年發布的。 圖片來自 joergens.mi 自己的作品。通過Wikimedia Commons 獲得CC BY-SA 3.0許可。

編者注:蘭博基尼和 Miura 是蘭博基尼的注冊商標，Tomaso Mangusta 是 De Tomaso Automobili 公司的注冊商標。Ferrari 是 法拉利 的注冊商標。本文對于這些商標的所有者，不包含任何贊助、支持、從屬關系或其他聯系。

大渦模擬模型

大渦模擬（LES）模型的優點是它能準確地評估流量隨時間的波動。這也意味著它可以評估作為時間函數的車身表面上的力。我們希望在車門和后視鏡的結構分析中使用這些隨時間波動的力作為載荷，然后通過使用快速傅里葉變換將這些載荷轉換到頻域。這將導致通過觀察載荷激發的特征模態來評估車門和后視鏡振動的風險。

車門和后視鏡周圍的流場取決于汽車的形狀。為了獲得準確的流場，我們需要對整個汽車進行建模。另外，整車建模更好玩，如果我們能承擔計算成本的話。

流體流動分析有些復雜，因為我們需要為 LES 模型尋找合適的初始條件。這涉及求解勢流的拉普拉斯方程，使用勢流的解作為 雷諾平均納維-斯托克斯（RANS）模擬的初始條件，然后依次使用 RANS 模擬的結果作為LES 模型的初始條件。執行第一步是為了減少 RANS 仿真的迭代次數。我們不想定義一個單獨的 RANS 接口和 LES 接口，因為這會重復自由度的數量。相反，我們將 RANS 接口的屬性更改為 LES。這不是在 COMSOL Multiphysics? 軟件中設置模型最簡潔的方式，但卻是計算成本最低的方式。

流體流動問題的模型樹。

汽車周圍空氣區域的邊界框必須足夠大，以便我們有希望了解一些關于邊界處的流動或壓力的情況，從而確定邊界條件。這反過來又決定了網格的外觀應該是什么樣子的。我們需要一個汽車周圍的邊界層。我們還必須允許增加一些汽車外部的單元，來減少問題的大小。網格如下所示。

空氣域中的網格，這個網格更接近汽車的放大倍數。在汽車表面，會自動創建邊界層網格。

下圖顯示了汽車后面的流動。我們可以看到流動軌跡到達汽車后面很遠的地方。這條尾跡路徑必須變得更平順和更平滑，以便在汽車后面設置邊界條件，因此汽車后面的空氣域很長。

以 180km/h 速度行駛的汽車后面的流場擾動會到達汽車后面很遠的地方，因此需要很長的空氣區域。

鏡子周圍的區域和車門的上部，即側窗受到最高的相對流量。下圖顯示了前后的流動，側門周圍的區域被放大了。該模型計算出了美國產轎車的阻力系數為0.31，這是一個很低但更接近現實的數值。

汽車周圍的流場和側門附近的放大圖。

使用單向流-固耦合研究的結構模型

我們可以利用流動施加的力在時域中運行第一個初始測試示例。除了讓我們掌握鏡子上預期的變形之外，它還應該會產生一些很酷的動畫。下面，我們可以看到流動是如何使鏡子變形的。出于可視化目的，變形被放大了 50 倍。

?流動引起的鏡子振動。 請 注意，變形被放大了 50 倍，否則我們就看不到鏡子是如何移動的。

然而，在時域分析中，假設初始條件為零。此外，由于載荷的隨機特性，為了給出可靠的結果，必須在很長的模擬時間內進行良好的時域分析，才能給出可靠的結果。我們需要使用更復雜的方法。

下一步是在頻域中定義一個結構模型，以便了解門內不同細節是如何振動的。我們可以這樣做，首先使用快速傅立葉變換將流動引起的波動力從時域轉移到頻域。此時，我們使用0.7s 的時間范圍進行流動模擬。最后 0.1 秒的間隔(從 0.6 到 0.7)表明流動已經穩定。這是在以 180km/h 的速度行駛 35m 之后，相當于8節車廂的長度。因為我們現在采樣的周期是 0.1s，所以頻域的分辨率將是 10Hz。我們可以使用更長的采樣間隔來提高頻率分辨率。側窗中的總力位于 90Hz 和 160Hz 處顯示的尖峰。側鏡在 50Hz 時有一個主要尖峰，在 70-90Hz 范圍內有一個平穩段。如果頻譜中的峰值與結構的重要固有頻率一致，則存在因共振而放大的風險。

在這幅圖中，我們可?以看到側窗和鏡子上的總力是頻率的函數。注意，不包括平均流量的靜態載荷。

下圖顯示了將波動力轉移到頻域，并執行結構分析以找到響應的模型樹。

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用于頻域結構分析的模型樹。研究 4 將風荷載從時域轉移到頻域。研究 5 利用來自風載荷的激勵運行頻域研究。然后，在最后一個研究步驟中，將解決方案轉移回時域。

一旦我們將流體中的應力轉換到頻域，就可以將它們作為載荷施加在門上和鏡子上。在此分析中，我們可以使用側門的完整幾何形狀，但不必考慮汽車的其余部分。下圖顯示了一個有趣的激勵模式，頻率為 90Hz。我們可以看到側窗在邊緣有一個節點振動，側撞門梁上方的門側上部有一個節點振動。這種模式可能很難完全抑制。這意味著我們可能會聽到這個頻率的風。

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對 90Hz 流體載荷的響應。整個側窗和側門在其大部分表面上幾乎均勻振動。

另一個有趣的模式出現在 50Hz。在這里，門的內部結構和側鏡都響應外表面上的流體載荷而振動。但是，我們希望連接到金屬上的裝飾板可以幫助抑制內部結構的振動。

50Hz 的響應表明，側門的內部金屬結構和側鏡都在振動。這可能會受由連接到這個表面的裝飾板的影響。

最糟糕的顫動噪音發生在我們不得不輕輕搖下車窗的時候。窗口的上邊緣不受約束，特征模式顯示整個側窗擺動。側窗上緣的振動頻率為20 Hz。

20Hz 的響應引起側窗后上角的振動。

跑車模型風荷載的擴展

本文模擬的車身有幾處簡化。例如，車身的不同部分被認為是完美組裝的，不同車身板件之間沒有間隙或錯位。實際上，真正的超級跑車的車身在車身面板和車門之間充滿了大約一 mm 數量級的小間隙。這些間隙可能會引起一些額外的湍流。另一個簡化是假設車輪在 CFD 模型中不旋轉，這也應該會引起湍流。結構分析假設車門被固定在車架上，沒有位移。實際上，汽車的車架也會振動，這主要是由于路面的不平度會通過傳動系統和汽車懸掛傳播到車架上，然后再到車門。

盡管進行了簡化，此模型仍然非常復雜，可以很好地用作更精確模型的起點。該模型的擴展可以包括擋風玻璃和后窗，并對作為主要噪聲源的窗戶振動進行完整的分析。此外，我們可以使用流固耦合研究計算的振動作為車廂聲學研究的邊界條件，包括車廂的詳細幾何形狀，例如車門飾板、座椅、地毯和儀表等。這些我們將在將來的文章中說明，敬請期待！