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基于气压阻效应的车门关闭力仿真试验
2020-08-09 23:34:05· 来源：华晨汽车工程研究院车身CAE工程室 作者：于剑泽，李飞，乔鑫，孔繁华
摘要：以轿车后门关闭力较大的问题为研究背景，利用速度测试仪对样车进行关门速度测试，得到仅克服气压阻效应的车门关闭速度为0.3m/s。建立仿真分析所需的汽车流
摘要：以轿车后门关闭力较大的问题为研究背景，利用速度测试仪对样车进行关门速度测试，得到仅克服气压阻效应的车门关闭速度为0.3m/s。建立仿真分析所需的汽车流体仿真分析网格模型，利用CFD软件进行考虑气压阻效应的车门关闭力仿真分析，得到了关门过程中车门所受的力和力矩、驾驶舱内气压变化情况及排风口气流流量等，找到一种能准确求解车门关闭气压阻效应的新方法。
汽车质量调研结果显示，车门开闭的轻便性始终是客户抱怨最多的质量问题之一[1]，因此，在车身设计过程中倍受关注。客户往往关心的是通过手给车门初始速度后的车门关闭时刻速度。文章仅从气压阻效应方面考虑对关门力的影响，通过大量的试验统计得到合理的关门初速度，以此初速度为仿真分析初始条件，进行关门过程CFD仿真分析。仿真分析可以得到车门所受气压力及驾驶舱内气压力变化等，为车门关闭过程中气压阻效应能量消耗提供数据参考。
1 气压阻效应介绍
车门关闭气压阻效应中，密封条压缩阻力和气压阻力是影响关门力的主要因素【2】，文章主要研究气压阻效应的贡献量。
随着现代汽车设计和制造工艺的提高，整车密封性能越来越好，在车门关闭后，若不考虑驾驶室通气装置，则驾驶室基本上形成一个充满大气压的密闭空间。
车门快速关闭过程中，从密封条接触门框表面到车门完全关闭，车门在极短的时间内压缩驾驶室密闭空间的空气，空气被压缩后压力上升而通过没有关闭的门缝流出。所以快速关闭车门的过程相当于对驾驶室密闭空间空气的压缩过程，被压缩的空气对车门产生气压阻效应。反之，快速打开车门的过程相当于对驾驶室密闭空间的抽真空过程【3】。
2 影响车门关闭力的因素
车门关闭过程中乘客需要在门上施加一个动能，用来克服能量损耗，而能量的损耗是多种因素共同作用的结果，包括气压阻效应、车门特性、密封条、铰链、门锁及限位器。从力学角度讲，驾驶室内压缩空气的外推力、密封条被压缩后产生的阻力、车门铰链的机械阻力、车门转动轴线设计的前倾和内倾产生的重力以及车门锁及限位器产生的阻力等在车门关闭过程中都会对车门产生作用【4】。图1示出车门在关闭过程中的能量分配示意图。
3 车门关闭速度测试
3.1 车门关闭速度测试设备
人们一直认为车门闭合需要进行“力”的设计；但从设计、分析及检验的方便性角度出发，车门关闭是用“速度”来进行表征的。通过对目标客户人群进行调研，结合不同年龄、性别及身体状态等，统计得出合理的车门关闭速度在0.8~1.3s。
使用车门关闭速度测试计1052对某款车进行车门关闭速度测量。图2示出速度测试计1052示意图。
设备安装方法为：在被测试车门外把手外沿安装移动针，此针在车门关闭过程中与车门以相同的速度运动。图3示出移动针安装示意图。把速度测试计安装
在可与移动针相切的侧围上，如图4所示。调整好两者的相对位置，并通过数据线连接速度显示器，快速摆动车门，查看显示器上速度变化情况是否满足设备要求。
3.2 车门关闭速度测试方法
本测试主要分为3步：
1)汽车基本状态检查。汽车处于空载状态，关闭非测试车门和车窗以及测试车门的车窗，确认汽车无漏风处。
2)按照3．1节安装速度测试计。
3)确定车门测试初始位置。由于车门装有限位器，通常车门开启位置分为全开、2挡和1挡3个挡位。本测试规定车门测试范围为1挡到车门关闭的过程，如图5所示。
恰好能使车门关闭所达到的速度称为车门关闭速度，此速度作为评价关门轻便程度的评价标准，也是仿真分析的输人条件。
3.3 车门关闭速度测试结果
测试车门开启到车门限位器第1挡，施加初始速度，至车门完全关闭，分别记录每次车门关闭速度的大小。考虑气压阻效应的影响，分别对4辆车进行全车车门关闭和尾门开启状态的测试。测试结果，如表1所示。
取4辆车测量值的平均值，全车车门关闭状态车门关闭速度为1.2m/s，尾门开启状态车门关闭速度为0.9m/s，得到仅克服气压阻效应的关门速度为0.3m/s。
4 车门关闭气压阻效应仿真分析
4.1 几何模型及网格划分
综合考虑网格数量和计算精度，利用前处理软件ANSA建立了完整的内饰数据、排风口数据、左右后门、铰链、门框、密封条(压缩后)外表面数据及整车造型面数据，得到一个封闭空间的计算域。图6示出汽车流体仿真分析网格示意图。
4.2 边界条件和计算设置
计算中假定空气为理想气体，车门关闭速度为0.3m/s，车门运动范围为1挡到车门完全关闭位置，总计算时间为0.71s，每步计算时间0.001s；设定驾驶舱排风口为压力出口。
4.3 分析结果及评价
图7示出车门关闭过程速度云图。通过图7可以看出，车门关闭前0.6s，大部分气流都随着车门运动排出车外，只有一小部分气流挤入车内。
图8和图9分别示出车门关闭过程中受力和力矩曲线图。通过图8和图9可以看到，车门关闭前0.6s受力和力矩很小，在0.6s之后车门与门框距离逐渐接近，
车门所受舱内空气反作用力也逐渐增大，车门关闭瞬间车门受力最大，关闭位置也是锁钩钩住锁环的位置，故可以用关闭时刻的力和力矩来评价气压阻效应的影响。
车门从开始转动到关闭位置时，气压消耗的能量(w/j)为：
根据公式计算得出气压阻效应所消耗的能量为2.32J。通过相关试验及仿真分析得到车门关闭过程中6个影响因素耗能及贡献率，如表2所示。
从表2可知，气压阻和密封条在关门过程中能量消耗占主导地位，而重力和限位器对车门关闭是有利的，其他2个因素对车门能量消耗贡献量较小。车门关闭过程中排风口监测面压力很小，可以忽略不计，但瞬间的变化量很大。图10示出车门关闭过程排风口压力变化曲线图。通过图10可以看出，关门瞬间气流不能迅速通过排风口排出，而是需要缓冲几秒钟才能平衡驾驶室内外的压力，导致驾驶室内气压瞬间增大，尤其是快速关门时驾驶员和乘员耳部有较强烈的压迫感，主观感觉不适。
5 结论
1)文章分析了车门关闭过程中能量损耗的6个影响因素，并通过仿真结果结合试验得到了6个因素能量消耗贡献率；
2)使用车门关闭速度测试计可以测量出车门关闭瞬间的萼度，此速度作为评价关门轻便程度的评价标准，也是仿真分析的必要输入条件；
3)通过仿真分析结果可以看出，关门过程中只有车门接近门框时，车门所受舱内空气反作用力才逐渐增大，大部分气流在车门关闭前排出车外；
4)通过有限元方法，有效地求出了车门所受气压阻效应的力和能量消耗，使气压阻效应的研究从试验阶段上升到仿真分析阶段，在工程设计中具有一定的参考价值。
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