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基于氣壓阻效應的車門關閉力仿真試驗

2020-08-09 23:34:05·  來源：華晨汽車工程研究院車身CAE工程室  作者：于劍澤，李飛，喬鑫，孔繁華  
　
摘要：以轎車后門關閉力較大的問題為研究背景，利用速度測試儀對樣車進行關門速度測試，得到僅克服氣壓阻效應的車門關閉速度為0.3m/s。建立仿真分析所需的汽車流
摘要：以轎車后門關閉力較大的問題為研究背景，利用速度測試儀對樣車進行關門速度測試，得到僅克服氣壓阻效應的車門關閉速度為0.3m/s。建立仿真分析所需的汽車流體仿真分析網格模型，利用CFD軟件進行考慮氣壓阻效應的車門關閉力仿真分析，得到了關門過程中車門所受的力和力矩、駕駛艙內氣壓變化情況及排風口氣流流量等，找到一種能準確求解車門關閉氣壓阻效應的新方法。
汽車質量調研結果顯示，車門開閉的輕便性始終是客戶抱怨最多的質量問題之一[1]，因此，在車身設計過程中倍受關注?？蛻敉P心的是通過手給車門初始速度后的車門關閉時刻速度。文章僅從氣壓阻效應方面考慮對關門力的影響，通過大量的試驗統(tǒng)計得到合理的關門初速度，以此初速度為仿真分析初始條件，進行關門過程CFD仿真分析。仿真分析可以得到車門所受氣壓力及駕駛艙內氣壓力變化等，為車門關閉過程中氣壓阻效應能量消耗提供數據參考。

1 氣壓阻效應介紹

車門關閉氣壓阻效應中，密封條壓縮阻力和氣壓阻力是影響關門力的主要因素【2】，文章主要研究氣壓阻效應的貢獻量。

隨著現(xiàn)代汽車設計和制造工藝的提高，整車密封性能越來越好，在車門關閉后，若不考慮駕駛室通氣裝置，則駕駛室基本上形成一個充滿大氣壓的密閉空間。

車門快速關閉過程中，從密封條接觸門框表面到車門完全關閉，車門在極短的時間內壓縮駕駛室密閉空間的空氣，空氣被壓縮后壓力上升而通過沒有關閉的門縫流出。所以快速關閉車門的過程相當于對駕駛室密閉空間空氣的壓縮過程，被壓縮的空氣對車門產生氣壓阻效應。反之，快速打開車門的過程相當于對駕駛室密閉空間的抽真空過程【3】。

2 影響車門關閉力的因素

車門關閉過程中乘客需要在門上施加一個動能，用來克服能量損耗，而能量的損耗是多種因素共同作用的結果，包括氣壓阻效應、車門特性、密封條、鉸鏈、門鎖及限位器。從力學角度講，駕駛室內壓縮空氣的外推力、密封條被壓縮后產生的阻力、車門鉸鏈的機械阻力、車門轉動軸線設計的前傾和內傾產生的重力以及車門鎖及限位器產生的阻力等在車門關閉過程中都會對車門產生作用【4】。圖1示出車門在關閉過程中的能量分配示意圖。

 
3 車門關閉速度測試

3.1 車門關閉速度測試設備

人們一直認為車門閉合需要進行“力”的設計；但從設計、分析及檢驗的方便性角度出發(fā)，車門關閉是用“速度”來進行表征的。通過對目標客戶人群進行調研，結合不同年齡、性別及身體狀態(tài)等，統(tǒng)計得出合理的車門關閉速度在0.8~1.3s。

使用車門關閉速度測試計1052對某款車進行車門關閉速度測量。圖2示出速度測試計1052示意圖。
 
 
設備安裝方法為：在被測試車門外把手外沿安裝移動針，此針在車門關閉過程中與車門以相同的速度運動。圖3示出移動針安裝示意圖。把速度測試計安裝
 
在可與移動針相切的側圍上，如圖4所示。調整好兩者的相對位置，并通過數據線連接速度顯示器，快速擺動車門，查看顯示器上速度變化情況是否滿足設備要求。
 
 
3.2 車門關閉速度測試方法

本測試主要分為3步：

1)汽車基本狀態(tài)檢查。汽車處于空載狀態(tài)，關閉非測試車門和車窗以及測試車門的車窗，確認汽車無漏風處。

2)按照3．1節(jié)安裝速度測試計。

3)確定車門測試初始位置。由于車門裝有限位器，通常車門開啟位置分為全開、2擋和1擋3個擋位。本測試規(guī)定車門測試范圍為1擋到車門關閉的過程，如圖5所示。

 
恰好能使車門關閉所達到的速度稱為車門關閉速度，此速度作為評價關門輕便程度的評價標準，也是仿真分析的輸人條件。

3.3 車門關閉速度測試結果

測試車門開啟到車門限位器第1擋，施加初始速度，至車門完全關閉，分別記錄每次車門關閉速度的大小。考慮氣壓阻效應的影響，分別對4輛車進行全車車門關閉和尾門開啟狀態(tài)的測試。測試結果，如表1所示。

 
取4輛車測量值的平均值，全車車門關閉狀態(tài)車門關閉速度為1.2m/s，尾門開啟狀態(tài)車門關閉速度為0.9m/s，得到僅克服氣壓阻效應的關門速度為0.3m/s。

4 車門關閉氣壓阻效應仿真分析

4.1 幾何模型及網格劃分

綜合考慮網格數量和計算精度，利用前處理軟件ANSA建立了完整的內飾數據、排風口數據、左右后門、鉸鏈、門框、密封條(壓縮后)外表面數據及整車造型面數據，得到一個封閉空間的計算域。圖6示出汽車流體仿真分析網格示意圖。

 
4.2 邊界條件和計算設置

計算中假定空氣為理想氣體，車門關閉速度為0.3m/s，車門運動范圍為1擋到車門完全關閉位置，總計算時間為0.71s，每步計算時間0.001s；設定駕駛艙排風口為壓力出口。

4.3 分析結果及評價

圖7示出車門關閉過程速度云圖。通過圖7可以看出，車門關閉前0.6s，大部分氣流都隨著車門運動排出車外，只有一小部分氣流擠入車內。

 
圖8和圖9分別示出車門關閉過程中受力和力矩曲線圖。通過圖8和圖9可以看到，車門關閉前0.6s受力和力矩很小，在0.6s之后車門與門框距離逐漸接近，

車門所受艙內空氣反作用力也逐漸增大，車門關閉瞬間車門受力最大，關閉位置也是鎖鉤鉤住鎖環(huán)的位置，故可以用關閉時刻的力和力矩來評價氣壓阻效應的影響。

 
 
車門從開始轉動到關閉位置時，氣壓消耗的能量(w/j)為：

 
根據公式計算得出氣壓阻效應所消耗的能量為2.32J。通過相關試驗及仿真分析得到車門關閉過程中6個影響因素耗能及貢獻率，如表2所示。
 
從表2可知，氣壓阻和密封條在關門過程中能量消耗占主導地位，而重力和限位器對車門關閉是有利的，其他2個因素對車門能量消耗貢獻量較小。車門關閉過程中排風口監(jiān)測面壓力很小，可以忽略不計，但瞬間的變化量很大。圖10示出車門關閉過程排風口壓力變化曲線圖。通過圖10可以看出，關門瞬間氣流不能迅速通過排風口排出，而是需要緩沖幾秒鐘才能平衡駕駛室內外的壓力，導致駕駛室內氣壓瞬間增大，尤其是快速關門時駕駛員和乘員耳部有較強烈的壓迫感，主觀感覺不適。
 
 
5 結論

1)文章分析了車門關閉過程中能量損耗的6個影響因素，并通過仿真結果結合試驗得到了6個因素能量消耗貢獻率；

2)使用車門關閉速度測試計可以測量出車門關閉瞬間的萼度，此速度作為評價關門輕便程度的評價標準，也是仿真分析的必要輸入條件；

3)通過仿真分析結果可以看出，關門過程中只有車門接近門框時，車門所受艙內空氣反作用力才逐漸增大，大部分氣流在車門關閉前排出車外；

4)通過有限元方法，有效地求出了車門所受氣壓阻效應的力和能量消耗，使氣壓阻效應的研究從試驗階段上升到仿真分析階段，在工程設計中具有一定的參考價值。
 
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