浮動式汽車天窗氣力密封有限元分析研究

馮莉 付振杰

摘 要：隨著人們物質生活的日益需求，每年汽車客戶的期望越來越高，對汽車舒適度要求更加高，汽車天窗在整個汽車舒適度方面占有很大的影響因素，針對密封性能高的天窗只出現在高端轎車上的問題，設計了一款浮動式汽車天窗氣力密封裝置，并且運用了CFD模擬，通過Navier-Stokes方程求解車輛的外部流場，并計算車輛表面周圍的氣動壓力分布，提取并繪制車輛天窗玻璃上的空氣動力學壓力，并利用ANSYS Workbench軟件開發一個有限元模型，通過計算玻璃上的變形來定義柔性部件的效果。

關鍵字：CFD模擬;流場分析;空氣動力學壓力;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

隨著人們經濟生活的日益增長，汽車已經成了每個家庭的必備品，在安全性得到最大的保障的前提下，駕駛舒適性也備受人們的關注，其中汽車天窗占有很大的影響力。轎車電動天窗是轎車車身系統中最大的組成部分總成，它具備采光性能好，車內的PM2.5（空氣質量）得到改善，轎車檔次得到提高等功能，由此，轎車天窗的質量和舒適度越來越受到人們的關注。

但是，就目前的國內天窗市場而言，百分之八十以上的市場份額仍然被德國偉巴斯特車頂公司所壟斷。為了改變國外公司的技術封鎖和市場壟斷的現狀，增強國內轎車主要零部件產品的自主研究開發能力及國內轎車天窗公司的市場競爭，就必須采用現代設計研發技術對轎車的天窗進行開發研究。本文介紹的是利用一款汽車氣力式密封裝置對汽車進行密封，并且根據汽車的不同時速對密封裝置進行分析。

1 CFD方法描述

1.1 基本原理

計算流體力學（Computation Fluid Dynamics），簡稱CFD，計算機通過數值計算和顯示圖像，對含有流體/流動等相關物理現象的系統所做的的分析，CFD的基本原理可以總結為：把原來在時間域以及空間域的連續的物理量的場，用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，然后建立變量之間的關系的代數方程組——控制方程，求解后獲得場變量的近似值。[1]

1.2 控制方程

汽車車身氣動性能的模擬隸屬求算汽車湍流流動問題，Navier-Stokes方程是計算汽車表面流場流動模擬的方程，它的微分形式是：

3.2 CFD分析具體參數設置

計算模型計算域各面的邊界條件如下：

（1）入口條件：入口邊界為速度入口（velocity-inlet），分別按照汽車速度30m/s、50m/s、70m/s、100m/s。

（2）出口邊界條件：出口邊界為壓力出口（pressure- outlet），出口表壓為0。

（3）固體邊界：車身表面為計算域墻面（wall）。

設置完之后的氣流運行方向如下圖2所示。

3.3 求解器設置

本次模型采用的是Fluent求解器，空氣密度1.225kg/m3，空氣溫度為25℃，計算域的車頭方向為入口，車尾方向為出口，其余為墻面，流場流速分別為30m/s，50m/s，70m/s，100m/s，邊界條件出口壓力值為0Pa，計算出的殘差變化曲線如下圖3所示。

4 CFD計算結果分析

經過計算機計算，我們可以得到汽車分別在30m/s，50m/s，70m/s，100m/s時的汽車頂部的壓力云圖，繪制曲線如下表1所示。

其中，u、v、w表示的都是三維方向上的所在的速度矢量;

每個矢量下標x、y、z各自表示的是對x、y、z的變量導數。

由于N-S方程的復雜性，以目前的計算機技術而言，全球范圍內還不能得以實現，雷諾方程使用最為頻繁，這種計算方法重點在于湍流引起的平均流場變化時整體的效果。

2 CFD的分析過程

首先利用CATIA三維模型軟件對三維模型進行建模，利用ANSYS Workbench中的DM打開三維模型，在劃分網格時，采用CFD的Physical Preference，求解器采用CFX對流動區域進行求解，并計算進行結果后處理。

FLUENT軟件對模型求解的具體步驟：

（1）在CATIA中建立汽車三維模型，在DM中導入模型。

（2）在Mech中確定幾何模型，選擇求解器CFX，生成計算網格。

（3）在Mech中設定邊界條件，入口input、出口output和邊界wall。

（4）在設置中設定流速、介質等。

（5）求解以及結果后處理。

3 汽車氣動性能的CFD模擬

3.1 汽車模型的建立和計算

本文研究的對象經過模型簡化，在不改變整體流場的流動軌跡的情況下，將研究的車輛的后視鏡等進行簡化，具體分析車身在流場中的速度變化以及壓力顯示，經過研究，將汽車模型的整體尺寸確定，長4500mm，寬2300mm，高1500mm。

首先將模型導入DM模塊，建立流場，尺寸為：長5000 mm，寬300mm，高2000mm。其中車頭所指的方向為進口，車尾為出口，車身定義為墻面。

采用六邊形網格劃分，設置最小網格為20mm，劃分節點個數為249961，單元個數為1271127，進行網格劃分如下圖1所示。

5 浮動式汽車天窗氣力密封的總體結構和工作原理以及靜力學分析

5.1 總體結構

浮動式汽車天窗氣力密封的總體結構由玻璃、O型環狀密封圈、天窗壓力感應器、導氣管、氣缸、出氣管組成。

5.2 工作原理

汽車在高速運動下，空氣對汽車天窗產生了不同的壓力，通過天窗壓力感應器將數值傳遞給控制單元，控制單元經過計算將所需的空氣量傳遞給氣缸，氣缸對O型環狀密封圈進行充氣，將密封圈充滿后對天窗玻璃進行密封，從而達到不同時速下都能實現氣力密封的效果。

參考文獻

[1] 周玉成，李擎.汽車天窗密封條粘接新工藝研究[J].汽車實用技術， 2019（13）：207-208.

[2] 陳衛華，陶略，毛瑞杰，等.汽車天窗密封條自動下料機設計[J].制造技術與機床，2018（07）：162-166.

[3] 郭婷婷.汽車天窗滾邊工藝仿真分析及實驗研究[D].合肥工業大學，2016.