某車型A柱風噪優化研究

王俊龔旭張濤,2陳如意,2

（1.長安汽車股份公司汽車工程研究總院；2.汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室）

某車型A柱風噪優化研究

王俊1龔旭1張濤1,2陳如意1,2

（1.長安汽車股份公司汽車工程研究總院；2.汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室）

針對某自主車型側風下出現風噪較大的問題，查找原因發現A柱設計缺陷使其在側風下成為一個顯著的噪聲源?；贑FD分析方法發現，通過增加A柱裝飾件和修改A柱型面，均能明顯減小氣流分離區。在風洞中對增加A柱裝飾件的優化方案進行了由車外至車內的風噪測試，測試結果表明，該方案對側窗表面聲壓級和語言清晰度有明顯的優化效果。總結出A柱的設計要點及風噪的改善措施，指出在車身開發過程中必須對A柱進行側風穩態分析。

1 前言

在樣車裝車階段主觀評價中發現某車型存在整車風噪大的問題，特別是在有側風環境下尤為明顯。為解決該問題，通過CFD分析原因，制定了優化方案，進行了工程可行性分析和產品設計，通過進行風洞試驗，對側窗表面聲壓級和乘員艙聲壓級及語言清晰度做了對比測試。

國內、外文獻對后視鏡風噪的關注和分析較多[1～7]，但是目前國內尚未發現有關A柱風噪分析及優化測試的文獻，也沒有研究A柱設計來降低風噪的文獻。本文在此背景下通過分析和測試研究，提出了低風噪A柱的截面形狀及風噪控制方法。

2 研究方法

將CAD模型導入HyperMesh中進行部件分組和面處理，以對應的網格尺寸劃分網格，將面網格導入STAR-CCM＋后，建立如圖1所示的求解域，求解域尺寸為11L×13W×4H，其中，L、W、H分別為車長、車寬、車高，其進口距車身前端為3L；對網格進行檢查，并且提高面網格質量以避免計算發散，設置多個局部加密區后劃分成約1 100萬的Trim體網格單元。

設定模型入口的風速為120 km/h，側風設置0°或10°偏角，出口為壓力出口邊界條件，環境溫度為20℃，空氣密度為1.205 kg/m3，湍流模型為Realizable K-Epsi?lon模型，差分格式為2階迎風格式。Realizable K-Epsi?lon模型引入了與旋轉和曲率有關的內容，可以有效用于不同類型的流動模擬。

模型的修改則通過使用網格變形軟件進行局部變形，再重新導入軟件進行部件網格替換及縫合修改，重新劃分體網格進行計算。通過后處理技術，繪制總壓為零的等值面來評估分離區及發現問題，并對比優化效果。

3 分析及優化

3.1 原狀態分析

對原狀態進行0°與10°偏角下側風的流場計算，獲得分離區如圖2所示。從圖2的分離區可以看出，在0°偏角下，即無側風影響下A柱的分離區較為合理，而在10°偏角下，前乘員側的A柱分離區相對0°偏角下明顯變大，整個前排側窗基本被分離區所覆蓋，增加了噪聲源區域，使乘員艙內人員對風噪的主觀感受變得明顯。通過CFD分析證實該車型在側風作用下風噪變得明顯，而0°偏角的常規分析難以發現A柱的風噪問題。

3.2 優化方案

如圖3所示，對原方案A柱斷面結構進行分析時，發現該車型A柱前沿的第Ⅰ段平面很窄，第Ⅱ段接近平面而無上擾度。同時發現其A柱的斷差過大，整體斷差約為22 mm，而且該A柱無密封條或裝飾條，這樣類似刀鋒的結構非常容易使A柱氣流分離而形成不穩定的渦漩，成為明顯的噪聲源，這些因素是導致該車型原狀態風噪大的主要原因。

如圖4所示，優化方案1在A柱附近增加高度×寬度為18 mm×20 mm的裝飾條，該方案相當于在A柱前端增加一段平面，用于擴展第Ⅰ段平面。如圖5所示，優化方案1使得0°偏角下A柱分離區減小，而在10°偏角下，A柱分離區減小相當明顯。

圖6為優化方案2的結構示意圖，對A柱的第Ⅱ段型面進行修改，將第Ⅱ段型面向車外拉伸7 mm，通過增加A柱的上撓系數，避免A柱中間部分出現平面使氣流提前分離[8]。

從圖7可以看出，0°與10°偏角下，優化方案2的分離區均相對于原狀態有所減小，但是優化效果明顯比優化方案1要差。

3.3 優化方案疊加及計算匯總

將優化方案1（增加裝飾條）和優化方案2（A柱型面優化）疊加后進行CFD分析計算，圖8為原狀態和疊加方案在截面Z=1 m的分離區對比圖。對A柱的分離區進行測量，發現0°偏角下疊加方案的分離區減小約7.7%（長度方向ΔL%*寬度方向ΔW%），而在10°偏角下則減小約45.5%。顯然，在側風下分離區改善更為明顯。

增加車速為100 km/h和140 km/h的工況，考察分離區與速度的關系，各種工況及方案下的A柱分離區匯總如表1所示。從表1可以看出，車速對分離區大小影響不明顯，而車速越大A柱渦漩的強度越大，風噪亦會越大。

表1 各種工況及方案下的A柱分離區測量結果

對比疊加方案后的A柱分離區可以發現，其分離區相對于優化方案1仍有一定改善，證明優化方案1和優化方案2相互并不沖突，可以同時實施，疊加方案為最優方案。其中，優化方案1為主要優化方案，在0°偏角下分離區減小約5.8%，在10°偏角下則減小約39.5%，其優化效果比優化方案2更加明顯。該車型通過優化后A柱分離區尺寸接近參考車的A柱分離區尺寸。

4 風洞試驗

4.1 試驗準備

由于優化方案2涉及A柱型面修改，需要修改整個側圍件，其變更成本巨大，需要等待現有模具達到使用壽命周期再進行切換實施，因此重點關注優化方案1的驗證及實施。本次樣車在上海地面交通工具風洞中心（SAWTC）進行測試。

4.2 側窗表面聲壓級測試

采用HEAD acoustics公司的36通道采集設備SQlabⅢ和B&K公司的表面微型麥克風進行采樣，駕駛員側和前乘員側各布置3個測點，其與車身中截面對稱，如圖9所示，測點L01靠近后視鏡，L02處于A柱影響區，L03處于氣流附著區的安靜地帶，離乘員艙人耳最近。

使用HEAD ArtemiS軟件進行后處理，得到各個測點的總聲壓級如圖10和圖11所示，從圖中可以發現，優化方案1絕大部分測點在2 000 Hz以內的聲壓級改進非常明顯。

在車速120 km/h和0°偏角下，優化方案1駕駛員側的3個測點相對于原狀態的總聲壓級降低約0.9～5.6 dB（A），靠近后視鏡的測點L01降低最多，其降幅達5.6 dB（A），靠近B柱的測點L03降低2.7 dB（A）；優化方案1前乘員側的3個測點相對于原狀態的總聲壓級降低約1.7～4.8 dB（A），靠近后視鏡的測點R01降低最多，其降幅達到4.8 dB（A），靠近B柱的測點R03降低1.7 dB（A）。

在車速120 km/h和10°偏角下，駕駛員側為迎風側，優化方案1相對于原狀態沒有改善；前乘員側為背風側，優化方案1相對于原狀態的總聲壓級降低約0.3～5.2 dB（A），靠近B柱的測點R03降低5.2 dB（A），該測點離乘員艙內人耳較近，對乘員的風噪感受影響明顯。

4.3 車內聲壓級和語言清晰度測試

在風洞中依據聲學-汽車車內噪聲測量方法（GB/T 18697—2002），在駕駛員和前乘員左右耳處共布置4個麥克風采集車內聲壓級和語言清晰度。獲得優化方案1的改進效果測試數據如表2所示。

表2 乘員艙內聲壓級和語言清晰度的優化效果

從表2可以看出，在車速120 km/h和0°偏角下，優化方案1相對于原狀態總聲壓級降低約0.7 dB（A），語言清晰度提高約3.1%，乘員艙內風噪改善明顯。4個測點的語言清晰度優化基本保證一致。在車速120 km/h和10°偏角下，優化方案1相對于原狀態總聲壓級降低約1.0 dB（A），語言清晰度提高約5.7%，乘員艙內風噪改善明顯。4個測點總聲壓級和語言清晰度的優化幅度從駕駛員左側到前乘員右側依次增加，說明背風側的優化效果較好。結合表面聲壓改進來看，駕駛員側的側窗表面聲壓并沒有明顯改進，而前乘員側的側窗表面聲壓改進明顯，從前乘員側的側窗表面傳入乘員艙的聲能量減小明顯，正好對應了側風下4個測點總聲壓級和語言清晰度優化程度呈現出的梯度情況。優化方案1在10°偏角下的優化幅度明顯強于0°偏角，即該優化方案對側風改善更為明顯，這與CFD分析及側窗表面聲壓測試結果均保持一致。

5 結束語

通過增加A柱裝飾件和修改A柱型面能夠減小A柱分離區，改善A柱的噪聲源，使得側窗表面聲壓級降低，減少傳入車內的噪聲量，提高車內語言清晰度，對車內噪聲改善效果明顯。

在后續車型開發過程中，需要關注A柱的斷差和型面，必須進行側風計算，了解A柱分離區情況。A柱設計時需要盡量降低A柱與前風擋之間的斷差，將第Ⅰ段平面留足20 mm以上，第Ⅱ段需要一定的上擾度，避免做成平面。若無法保證第Ⅰ段尺寸要求，需要提前考慮安裝A柱裝飾件。建議在車身開發過程中對A柱增加側風的穩態流場分析，這樣并不需要進行分析周期長且消耗大量計算資源的瞬態大渦模擬分析，就能通過分離區的尺寸預測優化A柱的風噪問題。

1 Wolf-Heinrich Hucho.Aerodynamics of Road Vehicles (Fourth Edition).Society of Automotive Engineers,Inc., 1998.

2 Fred Browand,Rose McCallen,James Ross(Eds.).The Aero?dynamics of Heavy VehiclesⅡ：Trucks,Buses,and Trains.Springer-Verlag Berlin Heidelberg,2009.

3 ALAMF,WATKINS S.Pressure fluctuations on automotive rear view mirrors.SAE Paper 2007-01-0899.2007.

4 Khalighi B,Johnson J P,Chen K Het al.Experimental char?acterization of the unsteady flow field behind two outside rear view mirrors.SAE Paper 2008-01-0476.

5 ASK J,DAVIDSON L.The sub-critical flow past a generic side mirror and its impact on sound generation and propaga?tion.12th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conf.2006.

6 AFGAN I C,MOULINEC D L.Numerical simulation of ge?neric side mirror of a car using large eddy simulation with polyhedral meshes.Int J Numerical Methods Fluids.2008.

7 李啟良，楊志剛，陳楓.汽車后視鏡非定常流的大渦模擬.空氣動力學學報，2010，28（4）:478～483.

8 王俊，龔旭，等.CFD技術在汽車車身設計中的應用.汽車技術，2013，4:14～17.

（責任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2015年6月1日。

Study on Aerodynamic Noise Optimization for a Vehicle A-pillar

Wang Jun1,Gong Xu1,Zhang Tao1,2,Chen Ruyi1,2
（1.Changan Auto Global R&D Center,Changan Automobile Co.Ltd;2.State Key Laboratory of Vehicle NVH and Safety Technology）

Investigation is made to a Chinese brand vehicle which has awful aerodynamic noise in cross wind environment,it is found that A-pillar design defect makes it a noise source in cross wind.It is identified based on CFD analysis method that airflow separation zone is markedly decreased by installing A-pillar garnish and modifying the A-pillar surface.Then the optimization of adding A-pillar garnish has been tested in wind tunnel,which includes the SPL (sound pressure level)test on the side window surface and in the passenger cabinet,the results show that the average SPL of test point on side window surface and the speech intelligibility index in passenger cabinet have a distinct improvement.Finally the design key points and noise improvement measures for A-pillar is summarized,the crosswind flow field analysis for A-pillar is necessary in car body design process.

Vehicle，Aerodynamic noise reduction，CFD，A-pillar

汽車整車 降低風噪 CFD A柱

U467.4+93

A

1000-3703（2015）09-0041-04