CN204309905U - 一种具有仿生结构的汽车a柱 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种具有仿生结构的汽车A柱，该A柱主体上分布有沿A柱长度方向单排等间距排列的多个肋条，相邻肋条之间的间距为9.5～11.5。本实用新型所述的A柱仿生结构为肋条型结构，采用单排等间距均匀分布在A柱表面，能够有效改善汽车高速行驶时A柱附近的涡流紊乱程度，降低脉动压力幅值，因此对汽车A柱及侧窗附近的气动噪声具有显著的控制和降低作用，从而有利于提高汽车驾驶及乘坐的安全性和舒适性。

Description

一种具有仿生结构的汽车A柱

技术领域

本实用新型涉及汽车气动降噪技术领域，具体涉及一种具有仿生结构的汽车A柱。

背景技术

汽车在日常生活中扮演着重要的角色，随着人们对汽车行驶过程中舒适性要求的提高，气动噪声问题成为近几年来的研究热点。研究表明，主要的气动噪声来自于发动机盖、前车身底板、侧窗和后窗等部位。其中，车身底板主要产生低频噪声，而在高频范围内，A柱-后视镜区域是主要的噪声源。汽车行驶过程中，气流在A柱及后视镜区域发生分离并在后部形成长长的尾涡流，造成侧窗表面剧烈的压力脉动，这是该区域产生气动噪声的根本原因。因此，如何实现对A柱及后视镜后方区域气动噪声的有效控制，对汽车舒适性的提高具有重要的意义。

目前，生产的轿车、SUV等车辆均采用光滑表面的A柱结构，无法对A柱及后视镜后方区域的紊乱气流进行合理有效地控制，因此汽车高速行驶时在侧窗附近仍然会产生强烈的气动噪声，严重影响驾驶员驾驶过程中的安全性和舒适性。

中国专利申请号201210011048.3公开了车内高频气动降噪的方法，在后视镜罩表面采用带有凹坑非光滑结构的贴膜并取得了一定的降噪效果，但其中未能详细说明所采用仿生结构的仿生学降噪原理，而且经过仿真与实验研究发现这种凹坑结构只适用于后视镜罩表面的降噪研究，对A柱表面的降噪效果则很小，所以不适用于A柱表面的仿生降噪研究。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种能够有效地控制汽车高速行驶时侧窗附近的气动噪声，从而提高汽车驾驶及乘坐的安全性和舒适性的具有仿生结构的汽车A柱。

为了解决上述技术问题，本实用新型的具有仿生结构的汽车A柱，其主体上分布有沿A柱长度方向单排等间距排列的多个肋条，相邻肋条之间的间距为9.5mm～11.5mm。

所述肋条两端的高度方向圆弧过渡，圆弧对应的圆心角为90°。

所述肋条的顶部为半圆形过渡。

所述肋条两端的宽度方向半圆形过渡。

所述肋条底部长L1＝40～50mm之间，肋条高H在4.5mm～5.5mm之间。

所述肋条宽W在4.5mm～5.5mm之间。

本实用新型所述的A柱仿生结构为肋条型结构，采用单排等间距均匀分布在A柱表面，能够有效改善汽车高速行驶时A柱附近的涡流紊乱程度，降低脉动压力幅值，因此对汽车A柱及侧窗附近的气动噪声具有显著的控制和降低作用，从而有利于提高汽车驾驶及乘坐的安全性和舒适性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

图1为本实用新型的汽车A柱立体图。

图2为本实用新型的汽车A柱局部截面图。

图3a、3b、3c分别肋条的主视图、侧视图、俯视图。

图4为原始整车模型侧窗附近压力云图。

图5为A柱表面具有肋条型仿生结构的整车模型侧窗附近压力云图。

图6为原始整车模型侧窗附近流线图。

图7为A柱表面具有肋条型仿生结构的整车模型侧窗附近流线图。

图8为侧窗监测点的分布示意图。

图9为原始模型与A柱表面具有肋条型仿生结构模型的总声压级对比图。

图10为监测点1的原始整车模型与A柱表面具有肋条型仿生结构整车模型的声压级曲线图。

图11为监测点2的原始整车模型与A柱表面具有肋条型仿生结构整车模型的声压级曲线图。

图12为监测点3的原始整车模型与A柱表面具有肋条型仿生结构整车模型的声压级曲线图。

图13为监测点4的原始整车模型与A柱表面具有肋条型仿生结构整车模型的声压级曲线图。

图14为监测点5的原始整车模型与A柱表面具有肋条型仿生结构整车模型的声压级曲线图。

图15为监测点6的原始整车模型与A柱表面具有肋条型仿生结构整车模型的声压级曲线图。

图16为监测点7的原始整车模型与A柱表面具有肋条型仿生结构整车模型的声压级曲线图。

图17为监测点8的原始整车模型与A柱表面具有肋条型仿生结构整车模型的声压级曲线图。

图18为监测点9的原始整车模型与A柱表面具有肋条型仿生结构整车模型的声压级曲线图。

图10～图18中横坐标为频率(Hz)，纵坐标为噪声级(dB)。I为原始整车模型声压级曲线，II为A柱表面具有肋条型仿生结构的整车模型声压级曲线。

具体实施方式

以某款轿车车型为例，如图1、2所示，本实用新型的汽车A柱主体1分布有仿生结构；所述仿生结构为沿A柱长度方向单排等间隔排列的多个形状、尺寸相同的肋条2，相邻肋条2之间的间隔S＝9.5mm～11.5mm。如图3a、3b、3c肋条底部长L1＝45mm，高H＝5mm，两端由下至上圆弧过渡，圆弧半径R1＝5mm，圆弧对应的圆心角为90°，肋条顶部长L2＝35mm；肋条宽W＝5mm，顶部为半圆形过渡，过渡部分半径R2＝2.5mm；肋条宽度方向半圆形过渡，过渡部分半径R3＝2.5mm，肋条底部直线部分长L3＝40mm。

上述实施例仅用于更清楚地说明本实用新型技术方案，实施例中给出的具体结构尺寸不能理解为用来限制本实用新型的保护范围，凡是在本实用新型权利要求1技术方案基础上作出的任何简单变形均属于本实用新型保护范围。

本实用新型汽车A柱表面均匀分布的肋条型仿生结构，最初来源于猫头鹰翅膀的锯齿形状，发明人通过对猫头鹰翅膀特征的空气动力学特性进行研究，发现其具有很好的气动特性，可以有效控制飞行过程中后方的紊乱气流从而降低气动噪声。考虑到锯齿形状在A柱上使用时的美观性、工艺性以及降噪效果等方面的实际情况，最终确定了本实用新型使用如图2、图3a、图3b、图3c所示肋条型仿生结构。考虑到不同车型的A柱尺寸会有差别，故若在其他车型上采用本实用新型的肋条型仿生结构，只需将肋条的尺寸依照车型的具体情况进行微小调整即可。

汽车侧窗附近气动噪声分析方法具体如下：

一、分别建立原始整车catia模型和采用本实用新型汽车A柱的整车catia模型；

二、将两个模型分别安装在同样大小的长方体计算域内，计算域尺寸为10L×5W×5H(L、W、H分别表示整车模型的长、宽、高)，车前端距离计算域入口为3倍的车长，左右各为两倍的车宽，计算域底部距离整车catia模型底部0.3倍的车高；

三、利用Hypermesh软件分别对两个模型及计算域进行面网格划分：采用三角形单元，对A柱及侧窗区域的面网格进行细化，确保数值仿真的精度，该区域最小面网格三角形单元的边长尺寸为1mm，最大面网格三角形单元的边长尺寸不超过5mm；对整车catia模型其他区域及整个计算域采用较大的面网格尺寸，最小面网格三角形单元的边长尺寸为10mm，最大面网格三角形单元的边长尺寸为100mm；

四、利用TGRID软件分别对两种模型及计算域进行体网格划分：先在车身表面生成边界层，即以车身表面三角形单元为起点向外拉伸出10三棱柱边界层，第一层边界层厚度0.01mm，线性增长，斜率为0.2，10层三棱柱网格总高度为9.1mm，其中总高度由下列公式计算得到Y＝ΣYi,Yi+1＝0.2i+0.01,Y1＝0.01,i＝1,2,...,9,其中Y表示边界层总高度，Yi表示第i层的三棱柱高度，i表示层数；

五、边界层生成之后对整个流体计算域进行四面体网格划分；

六、利用FLUENT软件分别对两种模型及计算域进行边界条件设定：入口边界条件设置为速度入口，气流速度为27.78m/s，即汽车以100km/h匀速行驶时的速度，但不限于该速度。湍流参数选择湍流强度和湍流特征长度。湍流强度是衡量湍流强弱的指标，可用下式表达：其中u′，v′，w′分别表示XYZ三个方向的速度脉动量，为平均速度。根据试验测出湍流强度为0.5％；湍流特征长度D＝4A/S,A为来流断面面积,S为来流断面周长,本实用新型中计算域的来流断面为宽3783mm、高5010mm的矩形截面，故D＝4310mm；出口边界条件为压力出口，表面压力设置为0；计算域壁面均设置为固定壁面；

七、在FLUENT中进行稳态计算：本实用新型中选用的是SST k-ω模型，通过稳态计算，获得A柱及侧窗3附近的压力和流场数据，然后进行压力和流场分析；

八、在FLUENT中进行瞬态计算：本实用新型选用的是大涡模型，将迎风格式设置为二阶迎风格式，精度控制在0.0001；同时建立侧窗3表面9个监测点的坐标，进行点监测，利用快速傅里叶变换将监测点的压力数据转化成声压级数据，便于进行噪声分析；

通过步骤七获得的压力数据对A柱及侧窗3附近的压力进行分析：如图4所示，原始整车catia模型在侧窗3附近具有较大的脉动压力变化，这也是侧窗3附近会产生较高气动噪声的主要原因；相比于原始整车catia模型，采用本实用新型具有仿生结构的A柱的整车catia模型在侧窗附近的脉动压力变化很小(如图5所示)，说明本实用新型具有仿生结构的A柱具有显著的降噪效果。

通过步骤七获得的流场数据对A柱及侧窗附近的流场进行分析：如图6所示，从原始整车catia模型侧窗附近的流线图可以看出，A柱附近的流场比较紊乱，不规则的流线占很大比重，这也能说明，原始整车catia模型会在A柱后方的侧窗区域产生强烈的气流变化，从而导致较高的气动噪声；对比原始整车catia模型，采用本实用新型具有仿生结构的A柱的整车catia模型在A柱附近的流场明显平顺了很多，并且都一致朝向后方区域(如图7所示)，说明该具有仿生结构的A柱对气流具有良好的疏导和平顺作用，从而有利于实现该区域的气动降噪；

通过步骤八获得的声压级数据对A柱及侧窗3附近的噪声进行分析：通过对比分析原始整车catia模型和采用本实用新型具有仿生结构的A柱的整车catia模型侧窗3表面九个监测点(如图8所示)的声压级曲线(如图10-图18所示)可以清楚地看到，在距离A柱最近的1、4、7三个监测点，具有仿生结构的整车catia模型对应的声压级曲线明显低于原整车catia模型，尤其是在高频区域内降噪效果更佳，最大降噪幅度达到了20dB(如图10、13、16所示)；其余六个监测点也有一定的降噪效果，在距离A柱较远的3、9两个监测点的声压级曲线基本重合，没有明显的降噪效果(如图12、图18所示)，正也是符合事实常理的，从另一个角度也说明了本实用新型所述的A柱肋条型仿生结构是具有显著降噪效果的。

Claims (6)

1.一种具有仿生结构的汽车A柱，其特征在于所述A柱的主体上分布有沿A柱长度方向单排等间距排列的多个肋条，相邻肋条之间的间距为9.5mm～11.5mm。

2.根据权利要求1所述的具有仿生结构的汽车A柱，其特征在于所述肋条两端的高度方向圆弧过渡，圆弧对应的圆心角为90°。

3.根据权利要求1或2所述的具有仿生结构的汽车A柱，其特征在于所述肋条的顶部为半圆形过渡。

4.根据权利要求3所述的具有仿生结构的汽车A柱，其特征在于所述肋条两端的宽度方向半圆形过渡。

5.根据权利要求2所述的具有仿生结构的汽车A柱，其特征在于所述肋条底部长L1＝40～50mm之间，肋条高H在4.5mm～5.5mm之间。

6.根据权利要求1所述的具有仿生结构的汽车A柱，其特征在于所述肋条宽W在4.5mm～5.5mm之间。