スポーツカーのサイドドアとミラーへの風荷重シミュレーション

2021年 5月 27日

新しい車を買うとき, ドアを閉めるときに感じる音と感情は, あなたの第一印象に微妙でありながら重要な貢献をします. ドアは振動に敏感であり, そのデザインと構造に応じて, 異なる車のドアを閉じると異なる音が発生します. 車のドアのこれらの振動を低減する能力は, 運転経験にとって重要です. 高速では, 流体の流れがドアやサイドウィンドウに振動を引き起こし, それが車内, さらにはトリムパネルやその他の内部部品にまで伝わり, 不快な騒音を引き起こす可能性があります. 運転中にベルトのバックルが緩んでBピラーに振動する音だけで, (誰とは言いませんが)非常にイライラする人もいます. トリムパネルがノイズを発し始めたらどうなるか想像できません!

高速での振動に関する設計の重要な部分は, 自動車の空気力学です. モデリングとシミュレーションを使用して, 車の周りの流れと圧力場を妥当な精度で推定できます. 流れによって加えられる変動する圧力は, 構造解析の表面荷重として使用できます. これに関連して, 高速で空気によって加えられる力を, 大きさだけでなく周波数に関しても推定することが重要です.

このブログでは, ラージエディシミュレーション(LES)モデルを使用して, スポーツカーのドアとサイドミラーに高速で気流が発生する過渡的な力を予測します. 次に, 構造解析で力を荷重として使用します.

なぜスポーツカーなのか?もちろんより楽しいから!そして, 私はおそらくスーパーカーを所有することはないので, モデル化することでしばらくの間十分な満足を得ることができます.

真っ赤なランボルギーニミウラを正面に, その他のスポーツカーやスーパーカーを背景に撮影した写真.
The Lamborghini Miura® は最初のスーパーカーと見なされています.1966年から1973年にかけて生産されました. これが1967年のP400モデルです. 背景の右側には, 1972年にリリースされた別のクラシックスーパーカー, the Ferrari® 512BBのリアが見えます. 背景の左側には, クラシックなウィングスタイルのリアウィンドウを備えたDe Tomaso Mangusta® のリアがあります. 同じく1967年にリリースされました. joergens.mi による画像—自身の作品. Wikimedia CommonsよりCC BY-SA 3.0によるライセンスを受けています.

編集者注:Lamborghini と Miura は Automibili Lamborghini S.p.A. の登録商標です. DeTomaso Mangusta は, De Tomaso Automobili Limited の登録商標です. Ferrariは, Ferrari S.P.A. の登録商標です. これらの商標の所有者に関して, 後援, 承認, 提携, またはその他の関係はありません.

ラージエディシミュレーションモデル

LESモデルの利点は, 時間の経過に伴う流れの変動を正確に推定できることです. これは, 時間の関数として車のボディの表面にかかる力を推定できることも意味します. これらの時間変動力をドアとミラーの構造解析の荷重として使用しますが, 高速フーリエ変換(FFT)を使用してこれらの荷重を周波数領域に変換します. これにより, 荷重によって励起される固有モードを調べることにより, ドアとミラーの振動のリスクを見積もることができます.

ドアやミラーの周りの流れ場は, 車の形状によって異なります. 正確な流れ場を取得するには, 車全体をモデル化する必要があります. さらに, 少なくとも計算コストに余裕があれば, 車全体をモデル化する方が楽しいです.

LESモデルの適切な初期条件を取得する必要のために, 流体解析はやや複雑です. これには, ポテンシャル流のラプラス方程式を解き, ポテンシャル流の解をRANS(レイノルズ平均ナビエストークス)シミュレーションの初期条件として使用し, 次にRANSシミュレーションの結果をLESモデルの初期条件として使用します. 最初のステップは, RANSシミュレーションの反復回数を減らすために実行されます. この場合, 自由度の数が重複するため, 個別のRANSインターフェースとLESインターフェースを定義する必要はありません. 代わりに, RANSインターフェースのプロパティをLESに変更します. これは, COMSOL Multiphysics® ソフトウェアでモデルを設定する最も洗練された方法ではありませんが, 計算コストが最も低い方法です. 次の図は, 流体の流れモデルのモデルツリーを示しています.

さまざまなスタディが注記されているスポーツカーの風荷重をシミュレーションするためのモデルツリーのスクリーンショット.
流体問題のモデルツリー.

車の周りのエアドメインの境界ボックスは, 境界条件を定義するために, 流れや境界の圧力について何かを知ることができるように, 十分に大きくとる必要があります. これにより, メッシュがどのように見えるかが決まります. 車の周りに境界層が必要です. また, 問題のサイズを小さくするために, 車から離れる方向に要素を成長させる必要があります. メッシュを以下に示します.

車の周りの空気領域のメッシュをオレンジと黄色の三角で可視化し, 車に近づいて拡大した挿入図.
空気領域のメッシュと, 車近くのメッシュの拡大図. 車の表面には, 境界層メッシュが自動的に作成されます.

下の図は, 車の後ろの流れを示しています. 流れの軌跡が車の非常に後ろに到達していることがわかります. 車の後ろに境界条件を設定するには, このトレイルをより静かでスムーズにする必要があります. したがって, 車の後ろの非常に長いエアドメインが必要になります.

シミュレーション結果では, 車のモデルの後ろの流れ場を細長い灰色の長方形で表示し, 流れの流線をレインボーテーブルで可視化.
180 km / hで走行する車の後ろの流れ場の乱れは,車の非常に後ろに達するため, 長い空気領域が必要になります.

ミラーの周りとドア上部のサイドウィンドウは, 最も高い相対流量にさらされます. 下の図は, サイドドア周辺を拡大した状態で, 前後からの流れを示しています. この自家製車の抗力係数は, モデルによって0.31と計算されます. これは, 低いですが現実的な値です.

サイドドア周りの流れを示す2つのビューを拡大している, スポーツカーの周りの流れ場を示す4つのシミュレーション結果のコラージュ.
車の周りの流れ場とサイドドア近くの拡大図.

一方向FSIスタディを使用した構造モデル

流れによって加えられる力を使用して, 時間領域で最初の初期テスト例を実行できます. ミラーに期待できる変形を把握できるだけでなく, クールなアニメーションになるはずです. (素敵なアニメーションの影響を過小評価してはいけません!)以下に, 流れがミラーをどのように変形させるかを示します. 可視化のために, 変形は50倍に誇張されています.

 

流れによるミラーの振動. 変形は50倍に誇張されていることに注意してください. そうしないと, ミラーがどのように動くかがわかりません.

ただし, 時間領域解析では, 初期条件はゼロであると想定されています. また, 荷重のランダムな性質により, 信頼できる結果を得るには, 非常に長いシミュレーション時間にわたって適切な時間領域解析を実行する必要があります. より洗練されたアプローチを使用する必要があります.

次のステップは, ドアのさまざまな詳細がどのように振動するかを確認するために, 周波数領域で構造モデルを定義することです. これを行うには, 最初にFFTを使用して, 流れによって発生する変動力を時間領域から周波数領域に変換します. この場合, 流れシミュレーション時間範囲を0.7秒間とします, 0.6から0.7までの0.1秒の最後の間隔は, 流れがすでに安定していることを示しています. これは, 時速180kmで35mの速度を上げた後のことで, 8台の車の長さに相当します. 現在, 0.1秒の周期をサンプリングしているため, 周波数領域での分解能は10Hzになります. より長いサンプリング間隔を使用して, 周波数分解能を上げることができます. サイドウィンドウの合計力は, 90Hzと160Hzでスパイクを示しています. サイドミラーには, 50 Hzで大きなスパイクがあり, 70〜90Hzの範囲でプラトーがあります. 周波数スペクトルのピークが構造の重要な固有周波数と一致する場合, 共振による増幅のリスクがあります.

スポーツカーのサイドウィンドウとミラーにかかる総力を, それぞれ青と緑の線で可視化した折れ線グラフ.
このグラフでは, 周波数の関数としてサイドウィンドウとミラーにかかる力の合計を確認できます. 平均流からの静的荷重は含まれていないことに注意してください.

下の画像は変動する力を周波数領域に変換し, 構造解析を実行して応答を見つけるためのモデルツリーを示しています.

スポーツカーのサイドドアとミラーの構造解析を周波数領域で行うためのモデルツリーの画面.
周波数領域での構造解析のモデルツリー. スタディ4は, 風荷重を時間領域から周波数領域に変換します. スタディ5は, 風荷重からの励振を使用して周波数領域スタディを実行します. その後, 解は最後のスタディステップで時間領域に戻されます.

流体の応力を周波数領域に変換したら, ドアとミラーに荷重として適用できます. この解析では, サイドドアの完全な形状を使用できますが, 車の残りの部分を考慮する必要はありません. 興味深い励起モードを90Hzで以下に示します. サイドウィンドウはエッジに1つのノードで振動し, サイドインパクトドアビームの上のドア側の上部は1つのノードで振動していることがわかります. このようなモードは, 完全に減衰させるのが難しい場合があります. これはおそらくこの周波数で風が聞こえることを意味します.

スポーツカーのサイドドアの90Hzにおける周波数特性をレインボーカラーテーブルで可視化したシミュレーション結果.
90Hzでの流体荷重に対する応答. サイドウィンドウ全体とサイドドアは, それらの表面の大部分でほぼ均一に振動します.

もう一つの興味深いモードは50 Hzで見つかります. ここでは, ドアの内部構造とサイドミラーの両方が, 外部表面の流体荷重に応じて振動します. しかし, 金属に取り付けられたトリムパネルが内部構造の振動を減衰させるのに役立つことを期待することができます.

スポーツカーのドア内部の周波数特性(50Hz)をレインボーカラーテーブルで可視化したシミュレーション結果.
COMSOL Multiphysics でモデル化されたスポーツカーのサイドドアの50Hzにおける周波数応答の可視化図.

50 Hzでの応答は, サイドドアの内部金属構造とサイドミラーの両方が振動していることを示しています. これはおそらく, この表面に取り付けられたトリムパネルによって減衰されます.

フラッターノイズの最悪のケースは, ウィンドウを少し下げる必要がある場合に発生します. 誰かが車の中でフラットロジー解析を行うとき, または誰かが葉巻に火をつけるときに, それをする必要があるかもしれません. 次に, ウィンドウの上端は拘束されず, 固有モードはサイドウィンドウ全体がフラップすることを示します. サイドウィンドウの上端の振動は20Hzで発生します.

窓の上端に赤で振動が見られる自動車のドアの窓を割ったときの20Hzの周波数応答をプロット.
20 Hzでの応答により, サイドウィンドウの上部後部コーナーの振動が発生します.

スポーツカーモデルの風荷重の拡張

車体のモデリングにはいくつかの簡略化があります. たとえば, ボディのさまざまな部分は, さまざまなボディパネル間に隙間やずれがなく, 完全に組み立てられていると想定されています. 実際には, スーパーカーのボディには, ボディパネルとドアの間に1mm程度の小さな隙間がたくさんあります. これらのギャップは, いくつかの追加の乱流を引き起こす可能性があります. ここでのもう1つの単純化は, CFDモデルではホイールが回転しないことです. これも乱気流を引き起こすはずです. 構造解析では, ドアが変位なしで車のフレームに拘束されていることを前提としています. 実際には, 主にドライブトレインを介して伝播する道路の粗さ, およびフレーム, 次にドアへの車のサスペンションが原因で, 車のフレームも振動します.

単純化されているにもかかわらず, モデルは依然として非常に洗練されており, より正確なモデルの開始点として非常によくできています. モデルの拡張には, フロントガラスとリアウィンドウが含まれ, 主な騒音源であるウィンドウの振動の完全な解析を実行できます. さらに, FSIスタディを使用して計算された振動を, 車室内の音響解析の境界条件として使用できます. これには, ドアトリム, シート, カーペット, 計装など, 車のコンパートメントの詳細なジオメトリが含まれます. ただし, これは別のブログのトピックです.

次のステップ

車のミラーとドアのLES解析をしてみませんか?下のボタンをクリックして, モデルファイルにアクセスします.

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