汽车外后视镜风激振特性的数值模拟研究

发布时间：2017-08-09 17:03

  本文关键词：汽车外后视镜风激振特性的数值模拟研究

  更多相关文章： 流固耦合 汽车空气动力学 后视镜 涡激振动

【摘要】：随着汽车电子科技的发展,在后视镜上安装的部件也越来越多,如镜面加热器、电动镜面调节器与摄像头等,这样导致后视镜重量越来越大,致使后视镜更易发生振动,对行车安全性产生了严重的威胁。因此在汽车外后视镜设计阶段,其动态性能通常在试验中进行反复评价,流程是从问题发现到问题解决,这样不仅延长开发设计周期,而且使研发成本增加。导致后视镜振动的原因包括路面不平度、传动系机械振动与气流激励,其中气流引起后视镜振动的原因为涡激振动、气流提早分离、表面压力波动与湍流震荡。本文通过对研究历史及现状的总结,提出采用双向流固耦合方法对气流引起的外后视镜振动问题进行数值仿真。研究内容分为流致振机理研究、单个后视镜流致振研究与整车条件下后视镜流致振研究三个部分。本文中,首先选取基础模型三维方柱体进行研究。采用STAR-CCM+计算流场、Abaqus计算固体变形,在STAR-CCM+协同仿真平台实现数据的实时交换。在本文中采用固定质量比与折合阻尼因子,研究在不同频率比情况下的振动特性。从计算得到的结果中看出,方柱在低频率比时,振动幅度较小;随着振动的发展与频率比的增大,振动幅度逐渐变大;在频率比接近1处,此时漩涡脱落的频率与方柱结构自振频率相等,发生了共振,产生一个明显的振幅波峰;在超过共振点频率比时,振幅明显减小。其次,以单个后视镜为研究对象,减小了因A柱及汽车其他部件对后视镜周围流场的干扰。研究选用Driv Aer模型,利用后视镜表面几何在CATIA中厚曲面做出后视镜实体,利用实体结构建立后视镜有限元模型。通过模态分析得出后视镜自身的固有频率。计算共包括18个工况,研究工况中不仅包括常规行驶车速,而且探索后视镜在车辆极限行驶工况下的振动特性,车速范围为20km/h~180km/h。得出的结果为:当V=20km/h时,低频振动频率与涡脱频率接近,此时振动由漩涡脱落引起;当V=30km/h时,漩涡脱落的频率与位移频率相互错开,此时没有产生强烈涡激现象;当V=70km/h时,涡脱频率与中频振动基本接近,但此时的频率相对于后视镜结构的固有频率差值较大,因此涡激现象没有对振动产生很强烈的作用;当160km/h≥V≥80km/h时,随着涡脱频率的不断增大,致使与结构的固有频率的差值也不断增加,后视镜结构振动频率锁定在两个固定频率不再发生变化,而且振动强度也呈现接近倍数的增长,说明此时漩涡的脱落影响较小,振幅只随着风场的强度增大而增加;当V=160km/h时,此时低频振动频率发生了微弱的变化,但是此时振幅却没有随着车速的增大而有明显的增加,低频振幅反而减小,说明此时风场强度特性的影响开始减小。以1:1Driv Aer整车模型为研究对象,使用快背式结构模型,采用非复杂底盘。通过与单后视镜振动对比发现,在涡脱频率与后视镜固有频率相差较大时,漩涡脱落对后视镜的振动影响较弱;而当涡脱频率与固有频率较为接近时,漩涡脱落对后视镜振动有很大的影响,远远超过了风场强度的影响。对模型的研究发现,在非涡激振动主导情况下,后视镜的振动锁定为一个固定的振动频率,不随着漩涡脱落频率与风场强度的变化而变化。为了更明确的确定车身对后视镜流场的影响程度,本文对比车辆行驶有无偏航角(即考虑侧风的影响)时,研究了后视镜不同的振动特性。车辆在有偏航角(即侧风条件下)行驶时,车身对后视镜流场结构的作用加强。由于背风侧复杂的流场变化,致使流场对后视镜作用力不再呈现主频作用,产生了不同连续变化的频率作用。同时,由于流场结构的变化,后视镜又恢复了较强烈的涡激振动作用,只是此时涡脱频率与后视镜固有频率相差较大,导致作用的程度有限。
【关键词】：流固耦合 汽车空气动力学 后视镜 涡激振动
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U463.856
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第1章 绪论13-25
• 1.1 研究背景及意义13-19
• 1.1.1 研究背景13-18
• 1.1.1.1 钝体绕流介绍13-14
• 1.1.1.2 流固耦合介绍14-16
• 1.1.1.3 外后视镜流场介绍16
• 1.1.1.4 外后视镜振动原因介绍16-17
• 1.1.1.5 人眼图像识别介绍17-18
• 1.1.1.6 外后视镜设计法规介绍18
• 1.1.2 研究意义18-19
• 1.2 国内外研究历史及现状19-22
• 1.2.1 国外研究历史及现状19-21
• 1.2.2 国内研究历史及现状21-22
• 1.3 本文研究内容22-23
• 1.4 本文研究方法23
• 1.5 本章小结23-25
• 第2章 研究理论基础25-31
• 2.1 流体数值模拟理论25-26
• 2.2 固体结构数值模拟理论26-27
• 2.3 流固耦合数值模拟理论27-29
• 2.3.1 流固耦合求解方法27-28
• 2.3.2 ALE方法的理论基础28-29
• 2.4 本章小结29-31
• 第3章 流体诱发振动基础研究31-53
• 3.1 流体诱发振动综述31-32
• 3.1.1 流体诱发振动的概念31
• 3.1.2 流体诱发振动的分类31-32
• 3.2 方柱绕流数值模拟与结果分析32-51
• 3.2.1 方柱绕流的流动特征32-33
• 3.2.2 固定方柱的数值模拟33-40
• 3.2.2.1 模型的选择及边界条件33-34
• 3.2.2.2 仿真方案的确定34-35
• 3.2.2.3 数值模拟结果与分析35-40
• 3.2.3 流致振方柱绕流的数值模拟40-51
• 3.2.3.1 数值模拟方法介绍41-42
• 3.2.3.2 模型的选择及边界条件42-43
• 3.2.3.3 数值模态分析43-44
• 3.2.3.4 数值模拟结果与分析44-51
• 3.3 本章小结51-53
• 第4章 单个外后视镜不同速度下振动特性研究53-77
• 4.1 数值仿真的模型53-57
• 4.1.1 流体模型53-55
• 4.1.2 有限元模型55-57
• 4.2 后视镜模态分析与仿真探索57-59
• 4.2.1 后视镜模态分析57-58
• 4.2.2 仿真探索58-59
• 4.3 数值模拟方案与边界条件59-60
• 4.3.1 仿真方案59-60
• 4.3.2 边界条件60
• 4.4 固定后视镜计算结果与讨论60-65
• 4.4.1 动力系数结果与分析60-63
• 4.4.2 流场结构分析63-65
• 4.5 流致振后视镜计算结果与讨论65-74
• 4.5.1 动力系数结果与分析65-71
• 4.5.2 流场结构分析71-74
• 4.6 后视镜振动评价74-76
• 4.6.1 评价方法74
• 4.6.2 评价结果74-76
• 4.7 本章小结76-77
• 第5章 整车不同速度下外后视镜振动特性研究77-103
• 5.1 数值仿真的模型77-79
• 5.1.1 流体模型77-79
• 5.1.2 有限元模型79
• 5.2 数值模拟方案与边界条件79-80
• 5.2.1 仿真方案79
• 5.2.2 边界条件79-80
• 5.3 整车固定后视镜计算结果与讨论80-85
• 5.3.1 动力系数结果与分析80-82
• 5.3.2 流场结构分析82-85
• 5.4 整车流致振后视镜计算结果与讨论85-93
• 5.4.1 动力系数结果与分析85-91
• 5.4.2 流场结构分析91-93
• 5.5 侧风下后视镜振动特性93-98
• 5.5.1 流体模型93-94
• 5.5.2 有限元模型94
• 5.5.3 计算结果与讨论94-98
• 5.5.3.1 动力系数结果与分析94-97
• 5.5.3.2 流场结构分析97-98
• 5.6 整车后视镜振动评价98-100
• 5.6.1 评价方法98-99
• 5.6.2 评价结果99-100
• 5.7 本章小结100-103
• 第6章 结论与展望103-105
• 6.1 结论103
• 6.2 创新点103-104
• 6.3 展望104-105
• 参考文献105-109
• 作者简介和科研成果109-111
• 致谢111

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