DE19919891B4

DE19919891B4 - Vorrichtung zur Erzeugung von Signalen für Windgeräusch

Info

Publication number: DE19919891B4
Application number: DE19919891A
Authority: DE
Inventors: Babu Farmington Hill Viswanathan; Gary Steven Beverly Hills Strumolo
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 1998-05-04
Filing date: 1999-04-30
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2019-05-01
Also published as: GB2340275B; GB9910081D0; DE19919891A1; GB2340275A; US6088521A

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung von Signalen für Windgeräusche innerhalb eines Kraftfahrzeug-Fahrgastraums mit:
einer Rechnereinheit, die befähigt ist zum:
– Herstellen eines CAD-Modells (100) eines bestimmten Fahrzeugteils durch Modifizierung eines Ausgangs-CAD-Modells;
– Erstellen eines Berechnungs-Netzes des bestimmten Teils aus diesem CAD-Modell;
– Berechnen einer transienten Strömung über das bestimmte Teil durch CFD unter Verwendung des Berechnungsnetzes, indem polygonale Zonen skizziert und der Mittelwert des Druckes und der Teilabschnitte der polygonalen Zonen berechnet wird.
– Extrahieren eines Satzes aerodynamischer Daten mindestens eines vorbestimmten Abschnitts des CAD-Modells aus der berechneten transienten Strömung, wobei der Satz aerodynamischer Daten mindestens umfaßt:
– einen Datensatz für Orte des Auftretens von Wirbeln und der Wirbelstärke,
– einen Datensatz für Nachlauf-Details von Hindernissen auf der Außenoberfläche, und
– einen Datensatz der Druckkoeffizientenverteilung; und
– Erzeugen einer virtuellen Darstellung des Windgeräusches an einem vorbestimmten Ort des CAD-Modells aus dem Satz aerodynamischen...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Sie bezieht sich also auf Kraftfahrzeugdesign im allgemeinen und insbesondere das computerunterstützte Fahrzeugdesign.

Zur Bestimmung aerodynamischer Charakteristika und deren Konsequenzen für das Fahrzeugdesign stützen sich Kraftfahrzeugdesigner üblicherweise auf Windkanal-Tests. Es ist ein übliches Verfahren, einen Fahrzeugprototyp in einen Windkanal zu plazieren und verschiedene Tests durchzuführen, z.B. Messen des Strömungswiderstandes und der Auftriebskräfte über das gesamte Fahrzeug oder Untersuchen des Stömungsfeldes unter Verwendung von Rauch-Sonden. Die Tests erfordern beträchtliche Zeit, Aufwand und Kosten. Da üblicherweise mehrere Design-Iterationen erforderlich sind, bevor ein endgültiges Fahrzeugdesign erhalten wird, sind zusätzliche Windkanal-Tests erforderlich, so daß es zu einer Vervielfachung der Testkosten kommt. Fahrzeugdesigner haben deshalb auf den Tag gewartet, an dem computerisierte Verfahren nicht nur ergänzend zu den Windkanal-Tests verwendet werden können, sondern teilweise das physische Testen ersetzen, um Zeit und Kosten in der Fahrzeugentwicklung zu reduzieren.

Bisher haben die begrenzte Computergeschwindigkeit und Algorithmusgenauigkeit die Entwicklung eines virtuellen Windkanals – bei dem, bei einem vorgegebenen Fahrzeugdesign, einige oder alle der vorgenannten Tests mittels Computer ausgeführt werden können – verhindert. Seit dem Aufkommen einer neuen und verbesserten mittels Rechner berechneten Strömungsdynamik (computational fluid dynamics, CFD) -Technologie, die z.B. die Prinzipien der Gittergastheorie zur Vorhersage von Flüssigkeitsbewegung beinhaltet, ist ein virtueller Windkanal technisch möglich. Nichts desto weniger besteht weiterhin Bedarf an einer Vorrichtung, die verfügbare computerisierte Technologie einsetzt, um einen, einem Benutzer zugänglichen, virtuellen Windkanal zur Verfügung stellen. Zusätzlich wird eine Vorrichtung benötigt, die einen Vergleich zwischen Testergebnissen in einem physischen und einem virtuellen Windkanal und zwischen wechselnden Fahrzeugdesigns ermöglicht.

Aus HUCHO, W-H. „Alles fließt" in c't, H12, S.54–62 ist ein Verfahren zur numerischen Berechnung von Strömungen bekannt. DE 41 05 096 lehrt ein dynamisches Simulationssystem, bei dem Änderungen eines kubischen oder zweidimensionalen Modells durch Klangdaten angezeigt werden können. Aus der US 5568404 ist ein digitales Computersystem zur Vorhersage von akustischen Effekten in einem Fahrzeug bekannt geworden, das aber aber lediglich eine grafische Darstellung der Geräusche erlaubt, die wenig anschaulich ist und somit Verbesserungen eines Designs erschwert, da die Daten nur mit grosser Mühe verständlich sind.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, die eine besser verständliche Darstellung der Geräuschverteilung ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Dadurch wird sowohl aerodynamische als auch aeroakustische Berechnung von Fahrzeugdesigns in einer virtuellen Umgebung ermöglicht.

Ausgehend von einer (computerunterstützten Design = computer aided design) CAD-Beschreibung des Fahrzeuges kann eine CFD Simulation konstruiert und ausgeführt werden. Diese Information kann für eine Abschätzung des – auf das Windgeräusch zurückzuführenden – Innengeräusches, das dann über Lautsprecher, für A zu B Vergleiche von verschiedenen Fahrzeugdesigns, abgespielt werden kann, verwendet werden. Die Vorrichtung erzeugt aus einem CAD-Modell, das repräsentativ für das Fahrzeug ist, ohne Verwendung eines physischen Windkanals Vorhersagen über Windgeräusche im Fahrgastraum eines Kraftfahrzeuges. Es wird ein CAD-Modell eines erwünschten Fahrzeugteils hergestellt und mit einem Rechner eine Masche des erwünschten Teils des Fahrzeugdesigns aus dem CAD Modell berechnet. Dann wird unter Verwendung der berechneten Masche eine transiente Strömung über das erwünschte Fahrzeugteil berechnet und ein Satz aerodynamischer Daten mindestens eines vorbestimmten Abschnitts des erwünschten Teils des CAD-Modells der transienten Strömung aus der transienten Strömung extrahiert. Dann wird eine virtuelle Darstellung des Windgeräusches für das CAD Modell an einem vorbestimmten Ort, das auf dem Satz aerodynamischer Daten beruht, erzeugt und die virtuelle Darstellung des Windgeräusches akustisch dargestellt.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, einen für Benutzer zugänglichen virtuellen Windkanal zu schaffen.

Ein weiterer Vorteil liegt in einer Vorrichtung, die eine aeroakustische Analyse des Fahrzeugdesigns erlaubt, bevor Zeit und Ressourcen zur Herstellung eines Fahrzeugprototyps aufgewendet werden.

Weiterhin ist es ein Vorteil der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, die einen Vergleich verschiedener Fahrzeugdesigns mit Testergebnissen eines physischen Windkanals mit denjenigen eines virtuellen Windkanals ermöglicht.

Diese und weitere Gegenstände, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen. Darin zeigt:
1 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Erzeugung vorhergesagter Windgeräusche in einem Fahrgastraum eines Kraftfahrzeuges ohne Verwendung eines Windkanals aus einem CAD-Modell, das repräsentativ für das Fahrzeug ist,
2 eine perspektivische Ansicht eines CAD-Modells eines Fahrzeugs;
3 eine perspektivische Ansicht ähnlich der 2, aber mit einer Rechner berechneten Masche um ausgewählte Teile des CAD-Modells;
4 eine Aufsicht auf ein CAD-Modell eines Fahrzeuges mit einer berechneten Masche über das gesamte Modell;
5 eine Ansicht eines verfeinerten Bereichs einer berechneten Masche;
6 und 7 erfindungsgemäß erzeugte perspektivische Ansichten eines Haubenteils eines Fahrzeug-Modells mit Strömungslinien,;
8 ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur Modifikation eines CAD-Modells zur Herstellung eines Modells für berechnete Strömungsdynamiken;
9 und 10 Bildschirmansichten mit CAD-Modell Änderungs-Interaktionselementen, die als Teil des CAD-Modell Modifikations-Werkzeuges der vorliegenden Erfindung dienen;
11 und 12 perspektivische Ansichten von Teilen eines CAD-Modells mit Strömungslinien über den interessierenden Abschnitt eines Fahrzeugdesigns;
13 ein Flußdiagramm eines erfindungsgemäßen Strömungsdynamik-Parameter- Extraktionsverfahrens zur Extraktion vorbestimmter Daten aus einem Rechner berechneten Strömungsdynamik-Programm;
14 eine Bildschirmansicht eines Windgeräusch-Modellierungsprogrammes, die einen berechneten Schalldruckpegel (SPL) für ein Fahrzeugdesign zeigt;
15 eine Bildschirmansicht eines Akustik-Programms, und
16 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In den Zeichnungen, insbesondere in 1, zeigt ein Flußdiagramm eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens. Eine implizite Voraussetzung bei der Durchführung realer Windkanal-Tests ist, daß die zu testenden Fahrzeuge bereits gebaut worden sind. Erfindungsgemäß wird ein „virtuelles Fahrzeug" in Form eines CAD-Modells benötigt. In Kasten 10 der 1 wird eine CAD Abbildung einer Oberfläche eines Fahrzeugmodells 100 (2) hergestellt. Der Fachmann weiß, daß sowohl die Information zur Entwicklung des Modells, die üblicherweise von einem Fahrzeugkarosseriedesign-Team erhalten wird, als auch die Informationen aus anderen Quellen, einschließlich der von Designteams für verschiedene Komponenten, wie z.B. Scheibenwischer, verwendet werden können. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das CAD-Modell, wie weiter unten näher beschrieben, dargestellt und überarbeitet, um ein vollständig geschlossenes massives Fahrzeugmodell zu erhalten, das für Rechner berechnete Strömungsdynamik benötigt wird.
Nach Herstellung des CAD-Modells 100 wird es in ein Computerprogramm (1, Kasten 12), das eine Rechner berechnete Masche 102 (3) erzeugt, eingegeben. Es ist bekannt, daß eine Rechner berechnete Masche ein Werkzeug ist, das für verschiedene technische und wissenschaftliche Studien verwendet werden kann, wie z.B. Rechner berechnete Strömungsdynamiken und finite Element Analysen. Es existieren verschiedene kommerziell verfügbare Programme zur Herstellung von Rechner berechneten Maschen, z.B. ANSYS FEA ^TM dreieckige Oberflächenmaschen, erzeugt durch Hypermesh ^TM, und STL ^TM, erzeugt durch IDEAS ^TM. Wie in 3 gezeigt, kann die Rechner berechnete Masche 102 nur für einen Teil des Modells 100 erforderlich sein, aber auch für das gesamte Modell (4) erzeugt werden. In 4 ist ein CAD-Modell 104 eines Fahrzeugdesigns mit Maschen gezeigt. Zur Bestimmung seiner Auswirkung auf die Seitenfensterdrücke befindet sich ein Seitenspiegel 105 auf der Beifahrerseite 107. Auf der Fahrerseite ist eine Abdeckung 109 und ein Front-Scheibenwischer 111 enthalten. Das Modell kann über 60,000 dreieckige Elemente aufweisen. Die Herstellung des Fahrzeugmodells kann zum zeitintensivsten Teil der Windgeräuschvorhersage werden. Sobald eine Rechner berechnete Masche 102 erzeugt ist, können zusätzlich Abschnitte besonderen Interesses auf verschiedenen Wegen verfeinert werden. Z.B. können durch Halbieren der linearen Dimension der Gitterzellen in einer auf kartesischen Koordinaten beruhenden Rechner berechneten Masche Verfeinerungen in einer Serie ineinander verschachtelter Abschnitte durchgeführt werden, wie in 5 gezeigt.
Als nächstes wird über die Oberfläche des Modells 100 eine transiente Strömung berechnet (Kasten 14, 1). Die transiente Strömungsberechnung kann durch verschiedene existierende Programme, wie z.B. Exa^TM von Digital Physics ^TM. durchgeführt werden. Um eine visuelle Betrachtung verschiedener Muster zu gestatten, kann die Strömung, wie in den 6 und 7 gezeigt, dargestellt werden. Vorzugsweise wird die Strömung über einen geeigneten Zeitraum gemittelt, um einen pseudo-stabilen Zustand zu erhalten. Als nächstes werden aerodynamische Daten über Strömungsmuster, Kräften, Geschwindigkeiten und Drücken erhalten (Kasten 16, 1). Diese Daten können Strömungsdetails über die Seitenscheiben des Modells 100 enthalten, z.B. A-Säulen Wirbellage und Wirbelstärke, Spiegel-Nachlauf-Details und Druckkoeffizientenverteilung. Die Daten können in einem vorbestimmten Format, z.B. auf einem Videoanzeigeterminal, dargestellt werden, um Betrachtung und Änderung zu ermöglichen. Die aerodynamischen Informationen werden wiederum dazu verwendet, den inneren Schalldruckpegel am Fahrerohr, entsprechend dem Windgeräusch, vorherzusagen (Kasten 18, 1). Die Vorhersage des inneren Geräuscheniveauspektrums kann unter Verwendung eines Windgeräuschmodellierungs-Programmes, wie es im US 5,568,404 A1 – übertragen auf die Inhaberin der Erfindung – offenbart ist und auf die vollinhaltlich bezug genommen wird, erfolgen. Schließlich wird die spektrale Information zur Bildung einer Klangdatei für weißes Rauschen (white noise sound file) und zur Erzeugung einer Darstellung des Windgeräusches (Kasten 20, 1) verwendet, das durch Stereolautsprecher abgespielt werden kann. Das gesamte Verfahren, von der Erzeugung einer akzeptablen CAD-Oberfläche bis zum Hören des Windgeräusches, erfordert 2 bis 3 Tage, was viel kürzer ist als die bisher für konventionelle physische Windkanal-Tests benötigte Zeit.
Die Verarbeitung des CAD Modells wird vorzugsweise vor der Rechner berechneten Strömungsdynamik-Analyse durchgeführt, um eine vollständig geschlossene massive Darstellung eines Fahrzeuges zu erzeugen, ggf. aus einer Kollektion von Oberflächen. Eine solche Verarbeitung beinhaltet das Darstellen der Masche in verschiedenen Formaten, einschließlich Punkten, die nur die Spitzen darstellen, des Drahtmodells, das die Punkte in einem Drahtmodell unausgefüllter Dreiecke verbindet und Polygonen, die die ausgefüllten Dreiecke darstellen. Jegliche unpassenden Kanten können ebenfalls, durch Einstellen des Displays auf unpassende Kanten, dargestellt werden. Das Darstellen unpassender Kanten im CAD-Modell unterstützt die Lokalisierung und Fixierung der Kanten zur Erzielung einer gültigen Modellgeometrie. Die Kanten werden, sofern das Programm die Problemzonen rot färbt, direkt auf dem Schirm lokalisiert. Dies wird vom Benutzer leicht festgestellt und die überarbeitete CAD-Oberfläche weiter bearbeitet. Ohne das erfindungsgemäße „Lokalisierungsmerkmal" für unpassende Kanten muß der Benutzer das gesamte Netz, das aus über 60,000 Dreiecken bestehen kann, betrachten. Erfin dungsgemäß wird durch das automatische „Lokalisierungsmerkmal" für unpassende Kanten eine beachtliche Zeit gespart.
Wie aus dem Flußdiagramm in 8 ersichtlich, wird in Kasten 30 das CAD-Modell erhalten. Das Modell wird dann, wie oben beschrieben, in Kasten 32 geprüft und, sofern es nicht akzeptabel ist (Raute 34), in Kasten 36 modifiziert. Die Modifikation kann das Anpassen unpassender Kanten, das Füllen von Löchern und andere Maschen-Änderungen beinhalten, um sicher zu stellen, daß das CAD Modell eine vollständige massive Topologie aufweist.
Nachdem in der Entscheidungsraute 34 ein akzeptables CAD-Modell erhalten wurde, können, wie unten beschrieben, Abschnitte besonderen Interesses für eine Windkanaluntersuchung durch Bestimmen von Verfeinerungszonen (Kasten 38, 8) hervorgehoben werden. Diese Zonen sind eigentlich ineinander verschachtelte Maschenkästen, wobei der äußerste Kasten die gröbste Mascheneinteilung aufweist, 1/60 der Fahrzeughöhe, und der innerste Kasten eine feinere Aufteilung. Alle diese Kästen umgeben das Fahrzeug vollständig. Im aktuellen Durchlauf werden in Strömungsbereichen von besonderem Interesse weitere Verfeinerungszonen erzeugt, z.B. um die Spiegel, Scheibenwischer, Rücklichter und Kofferraumdeckel. Um die Strömungsstruktur um die Scheibenwischer aufzulösen, diktieren typischerweise allein geometrische Überlegungen einen Maschenabstand von etwa 1/480 Autohöhe. Für aeroakustische Kalkulationen sind ähnliche Maschenabstände um den Spiegel und auf der Seitenscheibe erforderlich. Solche Zonen werden durch Skizzieren im CAD-Modell vom Benutzer erzeugt. Alternativ kann das Programm, wie unten beschrieben, zum variablen Verfeinern der Masche verwendet werden.
Das CAD-Modell kann durch Rotation der Koordinatenachsen dreidimensional manipuliert werden. Jede Rotation der Koordinatenachsen der finiten Elementdaten, die erforderlich ist, um sie in das karosseriebezogene Koordinatensystem zu bringen, kann durch Einsatz der X-Rotations-, Y-Rotations- und der Z-Rotations-Schiebe-Interaktionselemente 40, 42, 44 erfolgen (9). Die Daten können auch unter Verwendung der Wähl-Interaktionselemente zur Darstellung von Ausschnitten des Ganzen beschnitten werden. In 10 erlaubt ein Bildschirm dem Benutzer, durch Einsatz der Wähl- und Schiebe-Interaktionselemente einen rechteckigen Kasten mit Benutzer spezifizierten Dimensionen, Orientierung und Farbe zu erzeugen und abzubilden. Die Interaktionselemente können auch für Meßzwecke eingesetzt werden. Das Programm berechnet, sofern erforderlich, automatisch einen korrekten X-Koordinaten-Ausgleich zwischen CAD und dem Fahrzeugkarosserie-Referenz-System. Wenn die Geometrie zur Mittellinie symmetrisch ist, ist der Z-Koordinaten-Ausgleich ebenfalls korrekt berechnet. Wenn die Geometrie unsymmetrisch ist, d.h. z.B. bei Vorliegen eines Spiegels auf nur einer Seite, kann der Benutzer in das erwünschte seitliche Verschiebungs-Interaktionselement einwählen. Es ist keine Eingabe der Bodenfreiheit erforderlich, wenn die Geometrie einen glatten Unterboden ohne Räder aufweist. Sofern Räder vorhanden sind, kann die Bodenfreiheit durch geeignetes Ausformen des rechteckigen Kastens gemessen werden und derr Wert durch ein Bodenfreiheits-Interaktionselement (nicht gezeigt) eingewählt werden. Die Verwendung des Verfahrens nach 8 hilft, Iterationen zu eliminieren, die zur erfolgreichen Integration einer CAD-Fahrzeuggeometrie im erfindungsgemäßen virtuellen Windkanal erforderlich sind.
Verschiedene Verfeinerungszonen einer Masche können spezifiziert werden. Z.B. zeigt 3 einen Abschnitt „102", der ein „U" förmiges Volumen 102 ist, das die vordere Seitenscheibe und Spiegel auf beiden Seiten des Autos ebenso enthält wie den Motorhauben-Abschnitt. Die Zahl „102" bezieht sich auf das Auflösungsniveau, d.h. einen Gitterabstand von 1/120 Fahrzeughöhe. Es können andere verschachtelte Verfeinerungen (nicht gezeigt) konstruiert werden, z.B. ein Abschnitt, der das Scheibenwischerblatt umgibt, der ein Abschnitt „480" mit einer Maschenskala von 1/480 Fahrzeughöhe sein kann. Das Niveau kann erforderlich sein, um die Details der Scheibenwischer Vorrichtung zu erfassen.
6 zeigt einen Scheibenwischer-Bereich, der ausführlich ein Wischerblatt 106 und einen Hohlraum 108 unter dem Windlauf darstellt. Die Scheibenwischerform zeigt, daß sie unter Spannung leicht komprimiert ist, das Wischerblatt 106 mit der Windschutzscheibe 110 in Kontakt ist und ihrer Krümmung folgt. Das Wischerblatt 106 ist ein dreieckiges Element, das normalerweise zur Windschutzscheibenoberfläche zeigt. Der Hohlraum 108 unter dem Windlauf enthält alle Details eines tatsächlichen Fahrzeuges, bis auf die Luftansauglöcher.
Mit dem erfindungsgemäßen virtuellen Windkanal können verschiedene Untersuchungen durchgeführt werden. Bei einigen Fahrzeugen baut sich unterhalb des Scheibenwischers auf der Fahrerseite Wischerflüssigkeit auf, die zu den Enden des Wischerblattes läuft und dann die Windschutzscheibe in zwei streifenförmigen Linien weiter nach oben läuft. Dies geschieht, weil die Scheibenwischer sich im Flußstrom befinden und sich um sie herum Rezirkulationsbereiche bilden. Um das Scheibenwischerdesign zu verbessern, ist es von Interesse, den erfindungsgemäßen virtuellen Windkanal zu verwenden, um das Phänomen zu beseitigen.
6 und 7 zeigen, wie Luft um die Scheibenwischeranordnung, entlang vertikaler Schnitte durch beide Wischer, fließt. Es gibt drei Rezirkulationsbereiche. Die erste Rezirkulationszone 112 liegt im Hohlraum 108 unter dem Windlauf und bildet sich, wenn Luft über den Motorhaubenrand 114 strömt. Entsprechend sind die verbleibenden zwei Rezirkulationszonen 116, 118 über und unter dem Wischerblatt 106 angeordnet. Dort verlaufen Strömungslinien 120 durch verschiedene Teile der Anordnung und bewegen sich durch und um die Arme und übrige Teile derselben (7).
11 zeigt einen Vorteil des erfindungsgemäßen virtuellen Windkanals gegenüber physikalischen Experimenten. Es wird mit der Plazierung eines kleinen rechteckigen stromlinienförmigen Rechens 122 stromaufwärts der Scheibenwischervorrichtung, begonnen. Das resultierende rohrförmige Strömungslinienmuster 124 ähnelt dem, was man sehen würde, wenn an diesen Ort eine Rauchinjektornase in einem aktuellen Windkanal-Test plaziert würde. Zwar werden mit Rauch die äußeren Formen des Flusses dargestellt, aber es ist praktisch unmöglich, eine detaillierte Information zu erhalten. Während der Rauch nahe des Injektorausganges kolinear ist, neigt er dazu, in Strömung schnell zu diffundieren, insbesondere wenn er auf ein Hindernis trifft. Mittels des virtuellen Windkanals kann ein Schnitt am Ort 126 durch den Scheibenwischer konstruiert werden, wo der „Rauchstrom" ihn kreuzt, um so klar Details über die Rezirkulationszonen aufzudecken. Die Strömungssituation des Scheibenwischers kann durch Einstellen des Motorhaubenrandes im Motorhauben-Abschnitt verbessert werden, so daß der Luftstrom über die Wischer hinweg fließt wodurch Wasser von den Blättern herabfallen kann, statt die Windschutzscheibe hinaufzulaufen. Wechselnde Motorhauben/Scheibenwischer Designs können bei Verwendung des virtuellen Windkanals berücksichtigt und beurteilt werden.
Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, daß an erwünschten Orten der Fahrzeugoberfläche die Druckverteilungen modelliert werden können. Um die Druckverteilung der Strömungsstruktur auf dem Seitenfenster darzustellen, wird ein stromlinienförmiger Rechen vor den Seitenspiegel 130 (12) plaziert. Sie zeigt sowohl die Bildung eines Wirbels an der A-Säule 132 als auch eine Abreiß-Blase 134 hinter dem Spiegel. Ein vertikaler Schnitt durch das Fahrzeug, gerade vor der B-Säule 136, zeigt ferner das Wirbelaufrollen.
Ein Windgeräusch-Modellierungsprogramm, wie oben genannt, z.B. in US Patent Nr. 5,568,404, sagt entsprechend dem Windgeräusch den Schalldruckpegel am Fahrerohr voraus. Dies erfolgt unter Verwendung der CFD Daten des stabilen Zustandes auf den Fensteroberflächen. Solch ein Programm erfordert eine Spezifikation der Bereiche der drei vorherrschenden Strömungssysteme auf der Glasoberfläche: unter dem A-Säulenwirbel, unter der Nachströmung des Seitenspiegels und dem verbleibenden wieder anliegenden Strömungsbereich gemeinsam mit dem mittleren Druckverteilungskoeffizenten in diesem Bereich. Früher wurden diese Werte durch visuelles Betrachten eines Farbbildes der Druckverteilung und Beurteilung, oft mit dem Auge, der Bereiche und Drücke erhalten. Eine visuelle Betrachtung kann für bestimmte Windkanal-Tests eine zu grobe Bestimmung sein, weil sie von Person zu Person variieren kann.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zur genaueren Betrachtung der Bereiche und Druckkoeffizenten, die für die Eingabe in einen Windgeräusch-Modellierer benötigt werden, zur Verfügung. Wie aus dem Flußdiagramm in 13 ersichtlich, wird in Kasten 50 ein Farbbild der Druckdaten für einen gewünschten Ort auf dem Fahrzeugmodell erhalten. Ein derartiges Bild ist typischerweise aus einem CFD Programm erhältlich, z.B. im Anschluß an Kasten 14 in 1. Nachdem ein Bild erhalten worden ist, wird eine Farbskala geeicht (Kasten 52, 13), z.B. in Form einer Legende mit Farbbalken, die die Daten quantifiziert. Der Schritt kann die Zuordnung spezifischer Drücke zu vorbestimmten Farben auf der Farbbalken-Legende beinhalten. Als nächstes skizziert der Benutzer auf dem Schirm irgendeine Zahl polygonaler Flächen (Kasten 54), z.B. unter dem Wirbel an der A Säule, unter dem Seitenspiegel-Nachstrom und dem verbleibenden wieder anliegenden Strömungsbereich. Dann gibt das Programm die vollständige Anzahl Pixel in jedem Polygon aus. Durch Vergleich der RGB (rot, grün, blau) Werte für jedes Pixel auf dem Farbbalken wird der numerische Wert für jedes Pixel bestimmt und der Mittelwert über jeden spezifizierten polygonalen Abschnitt berechnet (Kasten 56, 13). Zusätzlich wird ebenfalls der Teilabschnitt jeder polygonalen Zone berechnet. Mit dem Werkzeug der 13 können die benötigten Parameter-Eingaben in den Windgeräusch-Modellierer genau und objektiv bestimmt werden. Ferner kann das Werkzeug eingesetzt werden, um sofort Informationen über den numerischen Wert an der Zeiger-Spitze zu erhalten. D.h., durch Anklicken mit der Maus irgendwo auf dem Farbbild wird der numerische Wert der Größe sofort auf dem Bildschirm abgebildet. Das Werkzeug kann für jede Anwendung, bei der quantitative Information über ein Farbbild, entweder an ausgewählten Punkten oder über vorbestimmte Bereiche, gewünscht wird, verwendet werden. Nachdem die erforderlichen Parameter bestimmt sind, übernimmt der Windgeräusch-Modellierer die berechneten Werte von der Anwendung und berechnet einen Schalldruckpegel (SPL) 200 am Fahrerohr (14). Der SPL 200 ist mit einer virtuellen akusti-schen Anwendung, bei der es sich vorzugsweise um ein separates Blatt 202 in einem Tabellenkalkulationsprogramm handelt (15), dynamisch verbunden. Das Blatt 202 (15) weist eine Zeichnung des SPL 200 und eine Auflistung von drei Schalldruck-Spektren auf: experimentelle Daten 204, eine gewünschte Designkurve 206 und eine Designkurve 208. Das Programm nimmt ein Signal des weißen Rauschens und formt es – z.B. auf dieselbe Weise, wie ein Grafik-Equalizer weißes Rauschen und „formt es" – zu einem aus den drei Spektren ausgewählten Rauschen. So kann ein „zischendes Geräusch", das die aktuellen Windgeräusche im Fahrzeug darstellt, z.B. über einen Satz Lautsprecher an einem PC oder über Kopfhörer 210 (16) akustisch abgespielt werden. Ein Benutzer (16) kann durch Klicken der Knöpfe 212 über den individuellen Spektren zwischen den Geräuschen umschalten, um sofortigen Vergleich zwischen unterschiedlichen Fahrzeugdesigns zu ermöglichen, um festzustellen, ob die spektralen Unterschiede zwischen zwei Designs tatsächlich hörbar sind. Dies ist sehr wichtig, weil das menschliche Ohr bestimmte Geräuschunterschiede bei bestimmten Frequenzen nicht hören kann. Durch diese Möglichkeit wird der Fahrzeugdesigner mit einem Mittel versorgt, um zu beurteilen, ob ein Design-Wechsel erforderlich ist – bevor das Fahrzeug tatsächlich gebaut wird.
Eine typische Vorrichtung für ein für Insassen konzipiertes erfindungsgemäßes Fahrzeugdesign ist in 16 dargestellt. Die Vorrichtung beinhaltet eine Verarbeitungseinheit 150, die mit einer Benutzerschnittsstelle verbunden ist, die ein Bildschirmterminal 152, eine Tastatur 154, eine Zeigevorrichtung, wie eine Maus 156 oder ähnliches beinhalten kann. Die Verarbeitungseinheit 150 beinhaltet vorzugsweise eine zentrale Verarbeitungseinheit, einen Speicher und gespeicherte Befehle, die ein Verfahren zum Fahrzeugdesign ausführen. Die gespeicherten Befehle können im Speicher der Verarbeitungseinheit 150 oder in jedem nicht vorübergehenden Speicher, wie z.B. einem magnetischem oder optischen Medium, EPROM, EEPROM oder ähnliches gespeichert sein. Alternativ können die Befehle von einem herausnehmbaren magnetischen Medium, wie z.B. einer Wechselplatte, wie einer Foppy Disk, einem optischen Medium od. dgl. geladen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet die Vorrichtung ein Mehrzweck-Computerprogramm zur Durchführung der oben beschriebenen Funktionen. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch angepaßt werden, um verschiedene Kombinationen Hardware und Software zu beinhalten. Die bevorzugte Ausführungsform kann weiterhin einen Drucker (nicht gezeigt), der mit der Verarbeitungseinheit 150 verbunden ist, ebenso wie einen Netzwerkverbindung für den Zugang zu einem lokalen Server, einem Intranet und dem Internet, beinhalten.
Die Erfindung stellt einen virtuellen, aerodynamischen/aeroakustischen Windkanal zur Verfügung. Die CAD-Darstellung eines Fahrzeugs wird zur schnellen und effizienten Wiedergabe einer aerodynamischen Betrachtung mit minimalem Benutzereingriff auf einer Tisch-Arbeitsstation verwendet. Die Information kann dann zur Vorhersage von Innengeräuschniveaus, die über Lautsprecher zur Analyse von wechselnden Fahrzeugdesigns abgespielt werden, in ein Windgeräusch-Modellierungsprogramm eingegeben werden.
Obwohl die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, sind verschiedene, dem Fachmann offensichtliche Änderungen und Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche möglich.

10: Kasten
12: Kasten
14: Kasten
16: Kasten
18: Kasten
20: Kasten
30: Kasten
32: Kasten
34: Raute
36: Kasten
38: Kasten
50: Kasten
52: Kasten
54: Kasten
56: Kasten
40: Schiebe-Interaktionselement
42: Schiebe-Interaktionselement
44: Schiebe-Interaktionselement
100: CAD-Fahrzeugmodell
102: „U" förmiges Volumen
102: Rechnerberechnete Masche
104: CAD-Modell mit Maschen
105: Seitenspiegel
106: Wischerblatt
107: Beifahrerseite
108: Hohlraum unter dem Windlauf
109: Abdeckung
110: Windschutzscheibe
111: Front-Scheibenwischer
112: erste Rezirkulationszone
114: Motorhaubenrand
116: Rezirkulationszone
118: Rezirkulationszone
120: Stromlinien
122: Rechen
124: Stromlinienmuster
126: Schnittstelle
130: Seitenspiegel
132: A-Säule
134: Abreiß-Blase
136: B-Säule
150: Verarbeitungseinheit
152: Bildschirmterminal
154: Tastatur
156: Zeigevorrichtung (Maus)
200: Schalldruckpegel (SPL)
202: separates Blatt
204: experimentelle Daten
206: erwünschte Designkurve
208: Designkurve
210: Kopfhörer
211: Benutzer
212: Knöpfe

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung von Signalen für Windgeräusche innerhalb eines Kraftfahrzeug-Fahrgastraums mit: einer Rechnereinheit, die befähigt ist zum: – Herstellen eines CAD-Modells (100) eines bestimmten Fahrzeugteils durch Modifizierung eines Ausgangs-CAD-Modells; – Erstellen eines Berechnungs-Netzes des bestimmten Teils aus diesem CAD-Modell; – Berechnen einer transienten Strömung über das bestimmte Teil durch CFD unter Verwendung des Berechnungsnetzes, indem polygonale Zonen skizziert und der Mittelwert des Druckes und der Teilabschnitte der polygonalen Zonen berechnet wird. – Extrahieren eines Satzes aerodynamischer Daten mindestens eines vorbestimmten Abschnitts des CAD-Modells aus der berechneten transienten Strömung, wobei der Satz aerodynamischer Daten mindestens umfaßt: – einen Datensatz für Orte des Auftretens von Wirbeln und der Wirbelstärke, – einen Datensatz für Nachlauf-Details von Hindernissen auf der Außenoberfläche, und – einen Datensatz der Druckkoeffizientenverteilung; und – Erzeugen einer virtuellen Darstellung des Windgeräusches an einem vorbestimmten Ort des CAD-Modells aus dem Satz aerodynamischen Daten, durch: – Erzeugung eines Satzes vorhergesagter innerer Schalldruckpegel durch ein Windgeräusch-Modellierungsprogramm und – Formen einer Klangdatei für das weiße Rauschen mit den vorhergesagten Schalldruckpegeln, um das vorhergesagte Windgeräusch darzustellen einer Anzeige (152) für die virtuelle Darstellung des Windgeräusches, und mindestens einem Lautsprecher zur akustischen Darstellung der virtuellen Darstellung des Windgeräusches durch Abspielen derselben.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung des CAD-Modells (100) zur vollständig geschlossenen massiven Darstellung eine Modifizierung eines Ausgangs-CAD-Modells umfaßt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Bestimmung mindestens eines Satzes aerodynamischer Daten durch örtliche elektronische Farbgebung durchgeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die örtliche elektronische Farbgebung ausgeführt wird durch: – Erhalt eines Farbbildes, das die Variation des mindestens eine Satzes aerodynamischer Daten für einen vorbestimmten Teil des CAD-Modells darstellt; – Eichen einer Farbskala, die den Werten mindestens eines Satzes aerodynamischer Daten entspricht; – Skizzieren polygonaler Zonen um ausgewählte Bereiche des vorbestimmten Teils des CAD-Modells und – Elektronisches Berechnen eines Mittelwertes für den ausgewählten Bereich auf Basis der Farbskala und der polygonalen Zonen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Satz aerodynamischer Daten Druckkoeffizienten beinhaltet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Rechnereinheit durchführen kann: – Speichern eines ersten Datensatzes, der ein CAD-Modell des erwünschten Fahrzeugteils darstellt, im Speicher; – Speichern eines zweiten Datensatzes, der eine mittels Rechner berechnete Masche des erwünschten Fahrzeugteils, basierend auf dem ersten Datensatz, darstellt, im Speicher; – Berechnen eines dritten Datensatzes, der eine transiente Strömung über das erwünschte Teil darstellt, unter Verwendung des zweiten Datensatzes; – Extrahieren eines vierten Datensatzes, der aerodynamische Daten mindestens eines vorbestimmten Abschnittes des erwünschten Teils des CAD-Modells darstellt, aus dem dritten Datensatz; – Erzeugen eines fünften Datensatzes, einer virtuellen Darstellung des Windgeräusches an einer vorbestimmten Stelle des CAD-Models, basierend auf dem vierten Datensatz; und – Herstellung einer akustischen Darstellung des fünften Datensatzes.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der aerodynamische Datensatz mindestens umfaßt: – einen Datensatz für Wirbelverteilung und -stärke, – einen Datensatz von Außenoberflächen-Nachlauf-Details und – einen Datensatz der Druckkoffizientenverteilung.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, ferner gekennzeichnet durch – Darstellen des vierten Datensatzes auf einem Videoanzeigeterminal in einem vorherbestimmten Format zur Betrachtung und Änderung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des fünften Datensatzes ausgeführt wird durch: – Erzeugung eines Satzes vorbestimmter innerer Schalldruckpegel mittels eines Windgeräusch-Modellierungsprogrammes und – Formen einer Klangdatei für weißes Rauschen mit den vorbestimmten Schalldruckpegeln zur Darstellung des vorhergesagten Windgeräusches, ausgeführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch Herstellung einer akustischen Darstellung des fünften Datensatzes durch Abspielen der virtuellen Darstellung des Windgeräusches durch mindestens einen Lautsprecher.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Rechnereinheit befähigt ist, ein Verfahren durchzuführen mit: – CAD-Codemitteln zur Herstellung eines CAD-Modells (100) eines erwünschten Fahrzeugteils; – Maschenerzeugungs-Codemitteln zur Erzeugung einer mittels Rechner berechneten Masche (102) des erwünschten Fahrzeugteildesigns aus dem CAD-Modells (100); – mittels Rechner berechneten Strömungsdynamik-Codemitteln zur Berechnung einer transienten Strömung über das erwünschte Teil unter Verwendung der berechneten Masche (102); – Extraktions-Codemitteln zur Extraktion eines Satzes aerodynamischer Daten aus mindestens einem vorbestimmten Abschnitt des erwünschten Teils des CAD-Modells (100) aus der transienten Strömung; – Windgeräusch-Codemitteln zur Erzeugung einer virtuellen Darstellung von Windgeräuschen an einer vorbestimmten Stelle des CAD-Modells (100) auf Grundlage des aerodynamischen Datensatzes und – Geräuscherzeugungsmitteln zur Herstellung einer akustischen Darstellung der virtuellen Darstellung des Windgeräusches.
Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch: – Codemittel zur Erzeugung verfeinerter Zonen zum interaktiven Setzen einer mittels Rechner berechneten Masche (102) für das CAD-Modell (100) durch einen Nutzer.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch: regionale elektronische Farbbeurteilungs-Codemittel zur Abschätzung eines Wertes mindestens eines Satzes aerodynamischen Daten.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das regionale elektronische Farbbeurteilungs-Codemittel umfaßt: – Farbdarstellungs-Codemittel zur Darstellung einer Variation des mindestens einen Satzes aerodynamischer Daten für einen vorbestimmten Teil des CAD-Modells (100); – Eich-Codemittel zum Eichen einer Farbskala, damit diese den Werten mindestens eines Satzes aerodynamischer Daten entspricht; – Zonen-Skizzierungs-Codemittel zur Skizzierung polygonaler Zonen um ausgewählte Abschnitte des vorher festgelegten Teils des CAD-Modells (100) und – Codemittel zur Berechnung eines Mittelwertes für den ausgewählten Abschnitt basierend auf der Farbskala und den polygonalen Zonen.