高速流固耦合效应下车身自适应密封机理与模型

Auto- Body sealing performance has great influence on door panel closing effort and high-speed wind noise. It is affected by weatherstrip's hyperelastic material properties, compression load from outside and sheet metal fitting geometrical space. Conventionally, Material property model is non-optional and sealing cross-section dimension is invariable. It can only solve the normal stress of compression load in the assumption of 2D plain stress problem, which lacks the 3D sealing perfromance reasearch.Moreover, it can only deal with static or low-veloclity state, which makes the high speed fluidsolid coupling effect and its influence on sealing performance still unknown..Based on Navier-Stokes and K-E two equations turbulence model, Autobody-air fluidsolid coupling effect is investigated to unclose the correlationship between vehicle speed vs. wind pressure and geometrical deformation in order to further reaserch the influence by high speed aerodynamics so that the outside boundary conditon and geometrical dimension ocnstrains are reconstructed. By establishing the three parties contact assembly model of door opening panel-sealing stripe-closing panel, the interaction and relationship of hyperelastic and viscoelastic properties coefficients of rubber with geometrical structure parameters and sealing compression load. Based on simulation results and the ACO (Ant Colony Optimization based on genetic method), an innovative mechanism and modeling of auto-body adaptive sealing integrating high speed fluidsolidcoupling effect is proposed and researched, which can result in a new weatherstrip design method to realize the global optimazation for both low and high speed situation. It can support the improvement of safety performance and riding comfort.

车身密封性能受橡胶材料超弹性特征、外部压缩载荷以及钣金匹配空间等多学科变量作用，对车门开合力、高速风噪性有重要影响。传统非金属材料应变能密度函数模型单一，密封结构的几何形状不变。平面应变简化后只可求法向压缩，缺乏三维密封作用研究。只面向静态/低速，车身高速流固耦合效应及对密封动态特性的定量影响尚未清楚。.本项目以Navier-Stokes和K-E两方程湍流模型研究车身-空气流固耦合作用，明确速度与风压载荷和几何变形的关系，揭示高速空气动力效应的定量影响，重构密封系统外部载荷条件和内部边界约束。通过建立车身封闭件-密封条-开口件的三元接触空间匹配模型，研究橡胶超弹性材料系数、密封几何结构参数、密封压缩载荷等变量间作用规律。基于仿真实验并应用遗传蚁群融合算法，揭示高速流固耦合效应下车身自适应密封机理，形成面向全速范围密封性能最优的新车身密封系统设计方法，支持提高汽车高速乘用安全性及舒适性。

本项目系统地研究了车身—空气流固耦合作用，揭示了速度与风压载荷和几何变形的定量关系，重构了密封外部载荷条件；确立了密封三元接触空间匹配模型，研究了密封材料-结构-性能作用规律，完成了密封内在约束等效。基于大量仿真和验证实验，形成了新车身密封系统设计与优化方法。. 车身密封核心是车门总成密封。它包含车门-密封-车框三元静态匹配，以及车门开合、车窗升降等动态过程，涉及整体关门力、车窗升降顺畅、高速隔音降噪等汽车品质衡量指标。. 针对车门密封系统机理与模型：. 本项目（1）面向车身复杂空间轮廓，建立了车门密封压缩模型，基于车门密封“分段-累加”和关门过程“两步匹配”，提出新型轿车车门变截面密封系统建模与优化设计方法，实现整体关门力与车门密封系统的分解与综合；（2）通过量化车门闭合对密封状态的影响，建立基于双层板隔声原理的有限元—无限元隔声模型。基于混响室—消声室法，揭示车门闭合非均匀压缩影响下的密封隔声机理，实现高速下车门密封系统隔声优化；（3）面向车身轻量化，建立基于弹簧等效的车门密封精细模型，确立密封等效弹簧的分布非均匀压缩位移与作用方向，形成计入密封作用的车门窗框刚度新方法，面向高速流固耦合作用和密封反作用，实现车门密封精细等效作用下车门预弯刚度设计新方法。. 针对车窗密封系统机理与模型：. 本项目（4）通过高速车身外流场数值模拟和非线性刚度拟合下车窗密封约束建模，形成高速流固耦合下风压载荷转换和车窗升降动力学分析，实现面向升降顺畅性的车窗密封系统优化设计；（5）基于车窗密封系统非线性摩擦阻力函数，以及非线性约束阻力分段函数，建立电动车窗多体动力学和升降器疲劳寿命计算模型，通过关键参数优化及关键部件选型，实现车窗密封升降疲劳预测与服役寿命改善；（6）通过车身高速流场模拟和建立宽带噪声源模型，实现车身表面风压和风噪声数值模拟。基于混响室-消音室实验法原理，建立等效密封约束下车窗传声损失分析模型，优化车窗密封隔声性能，提升汽车高速静音性能。. 面向我国从“汽车制造大国”向“汽车技术强国”的产业升级和技术革新，本项目形成的新车身密封系统设计方法，可大幅提高汽车高速乘用舒适性及安全性水平；项目所发表的文章、申请的专利等科研成果，对实现高速流固耦合效应下车身密封系统设计，提供了重要的理论基础支撑，并产生良好的实际应用价值。