某商用车顶扰流板风噪声优化仿真

引言

车辆在行驶过程中噪声主要包括动力总成噪声、轮胎/路面噪声及气动噪声。而商用车作为常用高速行驶的车辆，气动噪声已成为主要噪声源，因此商用车整车风噪声分析具有重要研究意义。目前针对整车风噪声的研究主要包括风洞试验、道路试验和数值计算。道路试验由于无法过滤发动机、车身结构及轮胎等干扰噪声，因此精度较低。商用车的气动声学风洞试验受整车尺寸影响，目前研究较少。而数值计算可以更准确的分析整车风噪声特性并进行造型优化。

 

整车风噪声仿真可以真实模拟整车比例与姿态，利用气动声学声源与传递路径计算方法，可以准确预测整车造型风噪水平及噪声源识别等。对于整车风噪声仿真，乘用车的气动声学仿真分析已得到充分研究，而商用车整车尺寸较大，结构及传递路径相对复杂，国内关于商用车整车风噪声仿真研究较少，同时造型优化的研究也相对匮乏。因此开展商用车整车风噪声仿真及造型优化具有研究意义。

 

综上所述，当前商用车存在整车声源多、传递路径复杂、整车风噪仿真流程不成熟和仿真精度及风噪声识别与优化不确定等问题。本文中以某商用车为研究对象，首先介绍风噪声仿真计算的声源与传递路径分析方法，然后基于 Powerflow 进行整车风噪声仿真建模及结果分析，最后利用气动声学噪声源识别进行结构优化，完成优化前后仿真对比。

 

1 声源与传递路径分析方法

整车风噪声仿真计算流程通常包括外场声源获取和车窗玻璃、面板与车内噪声传播模拟。外场声源的仿真包括直接计算气动声学（computational aeroacoustics，CAA）和混合 CAA 两类方法。对于车窗的传声模拟，通常可采用统计能量分析（SEA）［4-6］进行计算。因此在整车风噪声仿真分析中，基于直接 CAA 与 SEA 的汽车风噪技术已得到充分发展。

 

本文中基于直接 CAA 和 SEA 对经车窗传递的造型噪声进行仿真分析，对整车风噪声面板贡献量、车窗玻璃声压分布、噪声源分布等进行了详细的分析。

 

2 仿真模型

2.1 几何模型

本文研究对象是一汽自主研发的某款载货商用车，采用实车工程化数据，整车模型如图 1 所示。

 

 

图 1 某商用车整车模型

 

为了尽可能满足实车状态，模拟真实整车气动声学分析，要求保留后视镜、A 柱及侧窗等关键区域的密封条及缝隙通道形状等，几何处理具体要求为：有密封条的保留密封条，无密封条至少保留 5mm 深通道，对于非常窄（<1mm）且深的缝隙需要做成比较浅的通道。除关键区域处要保留密封条和通道的形状以外，其余地方按照整车气动声学分析的要求进行处理。

 

同时由于风噪声分析中，侧窗玻璃、顶棚等面板都存在不同传声特性，主要针对驾驶室几何模型进行面板划分，以得到不同面板的声学贡献量。经过几何前处理后如图 2所示。

 

 

图 2 驾驶室区域几何处理

 

2.2 仿真模型

本文风噪声仿真软件采用 Powerflow，为获取准确的整车风噪声仿真结果，在仿真模型中尽量模拟实车姿态与状态。因此在仿真模型中，保证整车尺寸、姿态均与本商用车实际行驶状态一致。即 Powerflow 中所搭建的整车模型如图 3 所示。

 

 

图 3 某商用车仿真模型状态

 

为捕捉密封条及缝隙通道等详细几何处风噪声作用情况，需要针对后视镜、A 柱、导流罩、遮阳罩、顶扰流板等气流分离、冲击的关键区域设置 VR 区，进行局部网格加密，对玻璃面板及驾驶室面板进行偏移区加密，其他按照整车空气动力学外流场的要求进行网格划分，具体驾驶室 VR 区设置如图4 所示。

 

 

图 4 驾驶室区域网格加密策略

 

2.3 气动声学仿真参数

针对仿真模型边界条件，为凸显整车造型气动声学特性，本文设置车速为 120km/h，横摆角 0°。为过滤商用车车轮转动时产生噪声影响，设置车轮为非旋转状态。

 

本文在整车风噪声仿真计算过程中，暂不考虑泄露噪声情况。同时由于商用车风窗玻璃与侧窗玻璃参数不同，前风窗一般玻璃采用夹层材料且厚度较大，因此需要设置不同的参数，包括厚度、弹性模量、泊松比等。针对玻璃、钣金等材料，阻尼损耗因子也有所不同需要分别设置。

 

3 仿真结果与分析

图 5 为本文商用车驾驶室内人耳处 1/3倍频 A 计权声压级仿真曲线，主要包括侧窗玻璃、风窗玻璃、车顶前后各钣金隔声面板传入驾驶室内的声压级曲线和总声压级曲线。根据图 5（a）中曲线可以看出，商用车的侧窗玻璃对驾驶室内气动噪声子系统贡献量最大，商用车的前风窗玻璃由于采用夹层材料，且厚度比测窗玻璃大，气动噪声贡献量较少，隔音降噪效果比较明显。根据图5（b）中顶部面板贡献量曲线可以看出，前部面板气动噪声贡献量大于后部面板，由于商用车车顶前部存在扰流板结构，气流分离显著，因此容易产生气动噪声经过车顶前部钣金面板传入驾驶室。同时本商用车为载货车，没有顶导流罩等结构，车顶后部气流分离减弱，产生气动噪声较小。

 

 

（a）玻璃面板总声压级贡献量

 

（b）顶部钣金总声压级贡献量

图 5 商用车驾驶室人耳处声压级仿真曲线

 

图 6 为商用车驾驶室噪声源分布情况，采 用 流 动 噪 声 检 测 FIND(Flow Induced Noise Detection)，识别声源的位置与强度。从 FIND 图中可以发现，噪声源分布主要包括 A 柱、后视镜及前下视镜、前围刮水器及手把、遮阳罩、车顶扰流板等区域，由于部件之间尾流相互作用，产生较大的分离流动，造成能量损失，产生不利于客户感知的气动噪声。根据噪声源识别可以发现，顶部扰流板产生明显的气动噪声，且分布范围较大。

 

 

图 6 商用车驾驶室噪声源分布图

 

商用车为避免视野盲区，一般采用增加前下视镜与侧视镜。同时后视镜尺寸较大，容易产生气流分离并与车窗产生冲击作用，因此驾驶室侧窗处产生的气动噪声相对较大。图 7 为左侧侧窗玻璃表面压力脉动分布情况，其中图 7（a）表示侧窗声波压力脉动分布情况，主要分布在后视镜上基座及侧窗顶部，侧窗玻璃底部声波压力分布相对较小。图 7（b）表示侧窗湍流压力脉动分布情况，主要分布在后视镜顶部区域，此处是由气流经过后视镜与 A 柱产生分离，冲击侧窗玻璃后产生的气动噪声情况。

 

 

（a）声波压力脉动

 

 

(b)湍流压力脉动

图 7 左侧侧窗玻璃压力脉动云图

 

图 8 为风窗玻璃表面压力脉动云图。噪声源主要分布在刮水器、前围手把及遮阳罩底部区域，气流在前风窗遮阳罩、刮水器处产生的分离与相互作用较强，即湍流压力脉动较大。

 

 

（a）声波压力脉动

 

 

（b）湍流压力脉动

图 8 前风窗玻璃压力脉动云图

 

4 风噪声优化

4.1 优化说明

由于商用车与乘用车用途及尺寸上的差别，商用车的后视镜尺寸较大，同时为弥补视线盲区需要增设侧视镜与前下视镜，驾驶室的高度及平头造型使得商用车需要遮阳罩等结构，因此多种结构均影响整车风噪声水平，且由于结构的必要性，降噪空间有限。因此本文针对噪声源识别，针对车顶扰流板进行风噪声优化设计。本文所研究的商用车原有结构为了满足风阻或造型特点，加设顶扰流板，结构如图 9 所示。

 

 

图 9 某商用车顶部扰流板结构断面图

 

通过断面图可以发现，顶扰流板与车顶之间存在夹缝结构，此结构位于气流加速区易产生强湍流涡旋，强烈的压力脉动产生噪声，并通过车窗、钣金等传入车内。因此本文主要针对顶扰流板结构进行优化设计，消除此类易产生风噪声结构。同时考虑风阻造型影响，参考一汽解放优秀现生产造型，最终设计优化结构如图 10 所示。

 

 

图 11 顶扰流板结构优化断面图

 

4.2 优化仿真对比分析

图 12 为商用车顶扰流板优化前后，整车风噪声试验驾驶员人耳处声压级曲线对比，从图中可以得到，优化后结构在中高频段总声压级明显降低，优化前后整车在全频率段声压级曲线趋势相似，总声压级降低0.6dB(A)。

 

同时对比车顶顶板声压级曲线，可明显对比优化前后结构的声学贡献量差距。其中优化前顶扰流板结构产生较大声压级，且在400Hz 左右存在声压级峰值。顶扰流板结构优化后，低频段峰值得到减弱，在全频率段上声压级均明显降低，即产生较好的风噪声优化效果。

 

 

图 10 顶扰流板优化仿真声压级曲线对比图

 

同时根据优化后整车噪声源分布结果，对比识别主要噪声源，如图 11 所示。根据外部声源定位，主要关注顶盖部分噪声源情况，可以发现原顶扰流板位置处的噪音源得到明显减弱，即整车风噪声优化产生效果。

 

 

图 11 顶盖优化后噪声源分布图

 

对优化前后定扰流板处结构进行湍流压力脉动切片对比，如图 12 所示。优化前定扰流板位置处存在明显的湍流压力脉动增大的峰值区域，而优化后气流明显改善，顶部位置的压力脉动得到消减效果。

 

 

图 12 顶盖优化后湍流压力脉动切片图

 

同时由于驾驶室顶部造型的改变易影响整车风阻变化，因此本文为保证整车空气动力学综合性能，继续验证气动风阻特性，即优化后整车风阻系数降低 0.001。因此针对本商用车，顶盖扰流板对风阻影响不大，对风噪影响较大。

 

5 结论

本文通过对某商用车进行整车风噪声仿真与优化分析，得出如下结论：

1）基于 PowerFlow 进行商用车整车风噪声仿真分析，发现侧窗玻璃、车顶前部为驾驶室内部风噪声主要贡献区域，侧窗玻璃风噪声贡献量大于风窗玻璃，由于本商用车有顶扰流板且无导流罩等结构影响，车顶前部噪声贡献量大于后部贡献量。

 

2）根据风噪声仿真分析，识别整车气动噪声源主要分布在 A 柱、后视镜及前下视镜、前围刮水器及手把、顶扰流板等区域，上述部件之间气流分离与相互作用产生气动噪声影响用户驾驶体验。同时顶扰流板存在较大风噪声优化空间。

 

3）顶扰流板等形面上的镂空设计容易引起商用车整车风噪声问题，风噪对此类结构比较敏感，经过镂空结构优化后整车风噪声总声压级降低 0.6dB(A)，顶盖位置产生的风噪声贡献明显降低。同时验证优化结构气动风阻特性。得出此商用车顶盖扰流板对风阻影响不大，对风噪影响较大。

 

资料来源：达索官方