一種汽車風噪與風阻虛擬分析方法

屈鵬 劉雪瑩

（北京汽車集團越野車有限公司）

車輛經濟性及舒適性提升涉及多個方面，傳統方法包括采用能量流管理系統、動力系統優化等提升經濟性，通過加裝隔聲材料降低噪聲水平。這些方法雖然有效，但是投入成本高、開發周期相對較長，難以滿足車輛年度型產品快速改進投放市場的要求。文章提出一種汽車風阻及風噪虛擬分析方法，實現車輛年度型產品改進定量分析方法，經過驗證，達到理想效果。

1 汽車產品空氣動力學研究與實施

汽車產品設計開發過程中，實施空氣動力學和乘客艙風噪聲評估和優化非常重要。在產品設計早期階段，性能目標尚未確定，使用虛擬仿真技術進行空氣動力學和乘客艙風噪聲的性能評估和優化，使整車性能指標達標。項目分為4個階段實施：基本型和目標評估、空氣動力學優化、風噪聲優化、最終確認。

以某越野車為例，在進行動態測試時，發現在中高速行駛過程中風噪聲相對較大，油耗偏高。空氣動力學性能優化的初始目標是：最終版數模風阻系數（Cd）的計算結果不超過0.40。通過仿真軟件對其流場和噪聲進行分析，發現整車前部有較大的氣流分流現象，汽車尾部氣流收斂不強，不能很平順地剝離，風阻較大。在對基本型進行計算后提出改動范圍，并評估性能優化的潛力，確定最終的目標值。最終版數模的計算結果需滿足此次確定的目標值。

風噪聲性能的評估將基于內部噪聲的大小。通過前擋和前側窗傳入駕駛員頭部空間的噪聲將用于計算駕駛艙內部的噪聲頻譜。1 000～6 300 Hz是主要關注的頻率范圍，該頻率范圍內總聲壓級的A計權將作為文章中風噪性能評估的量化標準。

2 基本型和目標評估

2.1 風噪聲模擬分析描述

根據空氣動力學和風噪聲仿真的最佳實踐，準備基本型的計算模型。上述計算將使用統一的發動機艙、底盤部件以及上車身的整車外表面，將這些幾何元素導入PowerFLOW的數字風洞進行模型設置。

在開放路面的行駛工況條件下，使用運動地面和旋轉車輪的邊界條件進行空氣動力學的模擬和分析，后處理包括詳細的流場分析。根據其結果，對基本型的空氣動力學性能進行匯報和闡述。

風噪聲的模擬使用靜止地面和輪胎的條件，這與典型的風洞試驗測試流程一致。另外，在項目初始階段和最終驗證模型階段使用整車模型。在過程優化階段，風噪聲的計算可使用半車（最小阻力的外形是以流線型的一半構成的車身，稱“半車”），并根據最佳標準實踐計算駕駛員側的流場。將前側窗和前風擋的壓力計入風噪聲的分析。乘客艙風噪聲模擬的后處理將會進行詳細的風噪聲分析。分析包括經由前風擋和前側窗傳入駕駛室內部的前排乘客頭部區域的噪聲等級分析。根據結果，對風噪聲性能和潛力進行匯報和解釋。

2.2 風噪聲計算數據需求

進行風噪聲分析需要5個方面的數據：整車的CAD/CAS外表面、車速、車身姿態、換熱器空氣側的壓力損失曲線（包括散熱器、中冷器、冷凝器），以及內部噪聲計算所需的參數，這些參數包括：1）前擋風玻璃和前側窗玻璃的屬性（單層/夾層玻璃）；2）玻璃厚度，如果是夾層玻璃，需要提供每層的厚度；3）彈性模量和泊松比（包括玻璃及夾層材料）；4）玻璃和夾層的阻尼損耗因子；5）乘員艙內部總容積；6）乘員艙的混響時間。

3 空氣動力學及風噪聲優化

對某越野車進行空氣動力學優化計算，結果的后處理包括詳細的空氣動力學分析。根據計算結果，提出改進潛力以及改動目標外表面，進行系統地優化計算，提出帶有定量效果的優化建議，最終達到性能目標。

基于最佳標準實踐，對新車型的風噪聲性能進行評估和優化。根據基本型分析結果，實施設計迭代以減少乘客艙的風噪聲水平，依據改型的自由度，評估不同設計的影響，包括：發動機艙蓋角度、后視鏡基座和鏡體、三角塊以及A柱根部的落水槽區域。上述區域是能夠改善乘客艙風噪聲的典型區域，但并不意味著對于此項目，完整的設計空間一定在此范圍之內。此階段要嘗試的改型將根據基本型和計算分析進行確定，逐步進行設計更改和測試，如果效果不明顯，再進一步更改。之后可能會逐步施加更多的設計改型，同步計算幾個設計改型，將其組合并計算驗證是否達標。此項目使用的流程也需根據基本型的分析，確定改型建議。

4 實車氣動性風阻分析及建議

在汽車的前端形狀設計中，如能盡量倒圓棱角，并減小頭部的正面投影面積，就可得到較好的空氣動力學效果。同時，風窗玻璃與發動機裝飾罩的夾角、頂蓋外形平滑度、A柱傾角、后側圍及頂蓋對空氣動力學也有著不同程度的影響[1]。

以某量產越野車為例進行分析，該車造型整體風格硬朗，但受限于底部的結構設計，無法在底部加裝較多護板，整體風阻系數偏高。基于氣動性能提升的設計原則，對汽車局部進行修正及優化，重點考慮局部細節和其他空氣動力學套件的安裝與優化，如圖1所示。

圖1 某車型空氣動力學套件的安裝與優化圖

仿真分析結果如下：前保兩側倒角半徑＞50 mm，風阻系數（Cd）可降低0.003；尾部增加擾流板可使Cd降低0.004，尾燈及尾燈下方倒角半徑＜10 mm，Cd可降0.003；前保兩側開角降低2°，Cd可降0.001；A柱增加裝飾條，倒角半徑＞30 mm，Cd可降0.004；前保下沿倒角半徑＜50 mm，增加氣壩，Cd可降 0.01～0.015，安裝前輪阻風板，Cd可降0.003。最終可有效降低Cd達0.028，達到了較好的降阻效果。

5 結論

基于汽車氣動性能提升的設計原則，車頭設計需要圓潤飽滿，抑制氣流分離，轉角處倒角半徑要大[2]，轉角處切線與水平夾角不宜大于5°；車身表面的設計需平順化，避免較大斷差，整體造型自B柱后呈內收趨勢，車頂最高點靠前，前風擋與水平夾角盡量不大于40°；車尾設計要增加較為鋒利的特征，使氣流收斂[3]并平順地剝離，轉角處倒角半徑要小。底盤各部件配置應盡量平整，前懸附近如有過于凸出的部件，可以添加導風板以整流，后保險杠與油箱護板盡量連接。后續將進一步量化汽車產品風阻及油耗、風阻及風噪的指標關系。