高速流固耦合效應下車窗密封機理建模與分析*

朱文峰,林佩劍,周 輝

(同濟大學機械與能源工程學院，上海 201804)

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2015235

高速流固耦合效應下車窗密封機理建模與分析*

朱文峰,林佩劍,周 輝

(同濟大學機械與能源工程學院，上海 201804)

高速工況下車身受強烈流固耦合作用，車窗玻璃與導槽密封條位置發生變化而產生泄露噪聲。采用SST湍流模型研究整車外流場，將車身整體所受外流場風壓映射為車窗局部外載荷。將車窗導槽非線性密封約束簡化為彈性支撐，來研究高速工況下車窗密封作用機理。結果表明，迎風車窗主要受正壓作用，發生較小翹曲，而背風車窗受較大負壓作用，外側密封條唇邊被完全壓緊。通過該模型可實現流固耦合效應下車窗密封性能的定量分析，提高車窗密封系統的高速靜音性設計水平。

車窗密封；流固耦合；SST湍流模型

前言

隨著乘客對汽車舒適性要求日益提高，車內環境的靜音性能已成為汽車設計的重要指標。車窗系統由于與乘客感官距離最近，其密封性能的優劣尤為重要。作為動密封結構的車窗密封系統是比較薄弱的部分，在外載荷作用下，玻璃與密封條的裝配約束關系極易發生變化，導致玻璃與密封條間形成細小間隙，顯著降低密封性能。在高速工況下，逆向氣流與橫向側風可能在狹小縫隙處產生泄露噪聲，成為主要的噪聲源[1-2]，并且在雨水與塵埃環境中其防水和防塵性能變差。

國內外很多學者對車窗導槽密封條的仿真和汽車高速側風工況下的湍流模型進行了研究。文獻[3]中使用簡化的矩形截面條狀密封條連接車窗玻璃與車門鈑金，對風載作用下車內振動聲學響應進行研究；文獻[4]中以密封條唇邊壓縮負荷為設計標準，基于試驗與數值分析對密封條結構進行改進；文獻[5]中采用不同方法對側風狀態下轎車的氣動特性進行了數值模擬，并與風洞試驗對比，表明采用合成風方法可高效獲得接近于試驗的結果；文獻[6]中應用SST湍流模型對選擇性催化還原排氣系統中氨蒸汽運輸混合過程進行預測，數值模擬結果對平均速度場的預計與激光多普勒測速儀得到的數據吻合良好，驗證了SST模型在低速流場中應用的可行性。

本文中基于簡化的密封條壓縮變形行為假設，將車窗導槽密封條對玻璃的約束作用擬合為彈性支撐，采用流固耦合方法將流場仿真中得到的整車風壓作為載荷工況加載到車窗靜結構模型上，定量分析在高速側風工況下，玻璃在導槽密封條內位置的變化情況與密封條的變形程度，為綜合考慮行車速度與環境因素，設計適應全工況下的車窗密封系統提供了參考。

1 車窗導槽密封作用的彈性支撐模擬

在車窗的升降過程中，導槽密封條的壓縮變形行為實質上是超彈性材料在狹小間隙中的大變形過程，表現出強烈的幾何和材料非線性特性。為描述該行為，并應用于流固耦合仿真，基于以下假設將其簡化為密封條對玻璃的彈性支撐條件：(1)在導槽密封條中玻璃初始位置為壓縮力平衡位置；(2)密封條壓縮作用力-位移關系可以近似用一次函數表示。

通過對前、后與頂端導槽和內外水切密封條截面以100mm長度進行平面應變仿真，得到玻璃從外側唇邊過壓至完全壓緊狀態到內側唇邊過壓2mm的力-位移曲線，使用一次函數近似擬合，得到彈性系數。

1.1 網格劃分與材料模型

密封條網格劃分采用四邊形單元，為更好模擬密封條截面邊界，控制徑向單元尺寸為0.5mm。由于Mooney-Rivlin模型能夠較好地擬合不可壓縮橡膠材料中等應變范圍的應變能函數，因此被廣泛應用于超彈性材料的模擬中，本文中采用該模型。二參量Mooney-Rivlin模型的應變能函數為

W=c10(I1-3)+c01(I2-3)

(1)

式中：c10和c01為材料系數，由材料基礎力學性能試驗(單軸拉伸、單軸壓縮、雙軸拉伸、平面剪切、體積試驗等)數據擬合得到；I1和I2分別為橡膠材料的第一和第二應變不變量。車窗各段密封條材料見表1。

表1 車窗各段密封條材料

1.2 仿真結果分析與剛度系數擬合

圖1為前端導槽密封條截面在平衡位置時的柯西應力分布圖，以該位置為位移零點，外側唇邊過壓至完全壓緊，內側唇邊過壓2mm，得到力-位移曲線，使用一次函數進行最小二乘擬合，結果見圖2。同理可分別得到上下左右四側密封條剛度系數：前端導槽2.798 8N/mm，后端導槽11.095 5N/mm，頂端導槽6.007 6N/mm，水切2.801 0N/mm。

2 車窗玻璃風壓載荷的轉換

2.1 模型與計算域設置

圖3為本文中所采用的整車模型。為減少計算量，在建模過程中進行適當簡化，忽略后視鏡和雨刮器等外凸裝置，將底盤簡化為平面。車輛外形尺寸(長×寬×高)為4000mm×1600mm×1450mm。

2.2 邊界條件設置

根據我國高速公路法規120km/h限速的規定，并參考已有研究中關于側風仿真模擬的結論[7]，選取典型的六級風力橫風條件為工況(取風速為12.3m/s)，車速100km/h(即27.78m/s)，設置邊界條件見表2，采用合成風方法[5]在ANSYS Workbench平臺下進行仿真模擬，所采用的計算域為長方體[5]，設置為(長×寬×高)40000mm×12000mm×10000mm，如圖4所示。

表2 邊界條件設置

2.3 基本方程和湍流模型

汽車外流場一般為定常、等溫和不可壓縮三維流場，采用單向流固耦合穩態計算。由于車身外形復雜易引起分離，所以采用SST湍流模型，該模型考慮到湍流剪切應力的輸運，綜合了k-ω模型適宜于低雷諾數情況下的近壁處理和k-ε模型在邊界層以外區域表現良好的優點[8]，應用開關函數F1將兩個模型結合起來，因此在數值試驗和實際應用中表現出其準確及時預測分離的特性[9]。

SST湍流模型為

φ3=F1φ1+(1-F1)φ2

(2)

其中

F1=tanh(arg14)

(3)

(4)

(5)

式中：φ1代表基本k-ω模型；φ2代表變形后的k-ε模型；k為湍流動能；ε為湍能耗散率；ω為湍流頻率；ρ為空氣常溫常壓下的密度；y為壁面邊界層瞬時厚度。

上述式中所需參數可依據參考文獻[9]設為β′=0.09和σω2=1/0.856。

為獲得正確的輸運特性，模型中黏性系數ν需重新定義為渦黏性系數νt：

(6)

其中：

F2=tanh(arg22)

(7)

(8)

式中：常數α1=5/9；s為應變率的不變測度[9]。

2.4 網格劃分

由于汽車外表面曲面形狀復雜，采用Delaunay方法，在生成三角形面網格的基礎上映射生成四面體網格，在汽車外表面及近表面處生成多層菱形網格，周圍網格局部加密，提高邊界層的計算精度，在整個計算流域生成非結構化空間網格，可更好地適應不規則區域，如圖5所示。

2.5 模型驗證

為驗證流固耦合計算模型的可行性，針對本文中所用整車模型進行了風阻系數CD的理論計算，并與原型車的公開試驗值進行比較驗證[10]。風阻系數為

(9)

式中：F為汽車受到的空氣阻力；S為車身迎風面積；ρ為空氣密度；v為車速。

風阻系數CD的計算值為0.315，而試驗值為0.33，誤差為4.55%，說明流固耦合模型與實際情況接近，所得結論能夠反映風壓載荷對車身外流場的作用效應。

2.6 結果分析

通過后處理得到前后四面車窗上的風壓分布見圖6。迎風面的車窗玻璃在靠近反光鏡處受到向內側的正壓，而在對角處則受到向外側的負壓；在背風面，車窗受到以向外側的負壓為主的風壓載荷。

3 車窗玻璃位移與密封條變形分析

取汽車兩側前車窗進行玻璃位移與密封條變形分析。

3.1 玻璃實體建模與載荷傳遞

通過截取車身外形上風窗玻璃區域的曲面，根據實際玻璃外形與厚度重構玻璃實體，由于嚴格保證了全局坐標與幾何形狀的一致性，依據流場建模為參考，采用相同的三角形網格，0.5倍的網格尺度，最終得到在左前窗98%、右前窗100%的結構網格節點映射到了流場模型表面，剩余的節點被映射到最近的邊緣或者節點上，載荷傳遞成功率高，效果良好，圖7為右前窗風壓載荷傳遞加載示意圖(結構加載中風壓以矢量箭頭顯示，正壓即指向外側+X，負壓即指向內側-X)。

3.2 邊界條件的設置和材料屬性

根據1.2節中得到的各密封條的擬合剛度系數，在相應位置施加彈性支撐，玻璃與升降器連接的鉸鏈處施加固定約束，玻璃采用一般車用鋼化玻璃，具體材料屬性為厚度3.5mm，密度2 500kg/m3，彈性模量74GPa，泊松比0.25。

3.3 結果分析

圖8示出玻璃受風壓載荷作用下的位移云圖。迎風面由于受到部分正壓與部分負壓作用，玻璃在自身原曲面上發生一定的翹曲，前端向外側偏移，后端向內側偏移，最大位移約為0.17mm，位于前端導槽處，見圖8(a)；背風面則完全受到負壓作用，玻璃整體向外偏移，最大位移約為1.9mm，位于頂端導槽處，見圖8(b)。前端導槽密封條外側唇邊完全壓緊時的位移為1.65mm，頂端導槽密封條外側唇邊完全壓緊時的位移為1.8mm，它們已經超出了這兩處外側唇邊的最大位移，說明A柱頂端處導槽密封條外側唇邊處于完全壓緊狀態。

4 結論

(1) 為研究整車高速工況下車窗玻璃位移與密封條變形情況，采用SST湍流模型，將車身整體所受外流場風壓映射為車窗局部外載荷，通過最小二乘擬合，將車窗導槽非線性密封約束簡化為彈性支撐。使用“約束擬合”與“載荷映射”兩步法建立車窗密封作用機理模型。

(2) 計算結果表明，迎風面主要受到正壓與部分負壓作用，玻璃在自身原曲面上發生翹曲，位移較小；而背風面完全受到負壓的作用，A柱頂端附近導槽密封條外側唇邊處于完全壓緊狀態，會導致密封性變差。

(3) 依據計算結果，針對車窗表面受到不均勻風壓的情況，建議對頂端密封條采用壓縮負荷更大的截面和變截面的設計方法，可將玻璃位移控制得更小，使其不易產生泄露噪聲。

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Modeling and Analysis of Window Sealing MechanismUnder High-speed Fluid-solid Coupling Effect

Zhu Wenfeng, Lin Peijian & Zhou Hui

CollegeofMechanicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai201804

In high speed condition, vehicle body is subjected to strong fluid-solid coupling action and the positions of window glass and sealing strip in window channel change, so leak noise is generated. In this paper, SST turbulence model is adopted to study the external flow field of vehicle. The wind pressure from the exterior flow of vehicle body is mapped to windows as external load, and the nonlinear seal constraint of window channel is simplified as an elastic support to study the window sealing mechanism in high speed condition. The results show that the window in windward side mainly bears positive pressure, so warping slightly, while that in leeward side bears larger negative pressure with the lip of its outer sealing strip completely squeezed. Using the model can realize the quantitative analysis on the sealing performance of window under fluid-solid coupling effect and enhance the design level of window sealing in terms of high speed quietness.

window sealing; fluid-solid coupling; SST turbulence model

*國家自然科學基金面上項目(51275359)、青浦-同濟科研合作平臺項目(2011年,2013年)和上海市復雜薄板結構數字化制造重點實驗室開放課題(2012005)資助。

原稿收到日期為2014年5月5日，修改稿收到日期為2014年7月3日。