轮胎单个横沟泵吸噪声计算方法研究

第48卷第4期 20I2年2月 机械工程学报 JOURNALOFMECHANICALENG烈EERTNG v01．48No．4 Feb． 2012 DoI：lO．390l，JME．2012．04．116 轮胎单个横沟泵吸噪声计算方法研究木 王国林毛竹君周海超高 龙 (江苏大学汽车与交通工程学院镇江 212013) 摘要：以205／50R16子午线轮胎为对象，建立具有横向花纹沟槽的有限元法分析模型，利用Abaqus／Explicit进行瞬态滚动分 析，得到滚动轮胎单个横沟的体积变化。将其导入Fluent中，利用计算流体力学方法对单个横沟泵吸效益流场进行分析，并 结合Lighthill声学类比理论预测横向沟槽的噪声，同时嬉于涡声理论验证流场与噪声之间的关系。结果表明，单个横沟泵吸 噪卢第‘峰值集中在0．8～2．0l【Hz附近，仿真数据与试验结果在趋势上具有一。致性；且噪声的声压峰值出现在泵吸状态发生 转变的时间段；在时域中的3个噪声峰值出现涡麓变化较大的时间段，已确定噪声的变化可由涡量米反映。 关键词：轮胎泉吸噪声涡声理论 中图分类号：U463 MethodResearchofCalculationofAir．pumpingNoiseofSingle 711ransverseGr00veofTire WANGGuolinMAOZhujunZHOUHaichaoGA0Long (SchoolofAutoInotiVe狮dTra伍cEngineering，JiangsuuniVersi劬zhenjiang212013) Abstract：Finiteelememmodclofsingle咖lsve巧egrooveof205／50R16tireisdeveI叩ed．TheVolumech锄geofsinglegrooVeis acqund6romtlle仃{msientprocessesby璐illgAbaqus／Explicitsolver’andisimportedintoFluent．T瓠eflowfieldofairinasingle grooveissimulatedtopredicttheair-p啪piIlgnoisebymeansofLighthill’stheory．Therclationshipofflowfield粕dthe∞iseis Verifcatedb勰ed叩Vonex-so蚰dmeory．Itisshownthatnlefi娼tso岫dpressurepeakisconcerl仃atcdat0．8～2．0l【Hz，ttlen．endof siInulationdate锄dexperimentalresulthavec∞sistency；besidestllechangeofso吼dpressureh印p％sat昀nsitiontimeof a小p啪ping．111e加isepeal(0ccu盯cdontlletimep耐odofsi鲥fic蚰tch蚰geofVortici吼她dtheVoItic时couldreflecttllech锄ge ofnow矗eldnoise． 1(eywords：TircAir-pumping∞iseV|ortex·sound廿1eory O前言 汽车噪声主要由轮胎、发动机以及其他部件产 生。随着车速的增加轮胎噪声的影响成为主要的噪 声源。国内外学者针对轮胎泵吸噪声进行了相关研 究，ⅪM⋯利用计算流体动力学(Computationalnuid dyn姗ics，CFD)方法，分析两端封闭的横沟泵吸噪 声，并得到了比较理想的仿真结果。陈理君教授12J 在基于单级子源理论，构建了轮胎花纹噪声仿真与 优化系统的整体思路，分析了系统的结构及其功能 分布，该系统已达到工程使用水平。于增信等【3J基 于对轮胎变形的力学分析提出了一种轮胎花纹沟泵 吸噪声的半 经验 班主任工作经验交流宣传工作经验交流材料优秀班主任经验交流小学课改经验典型材料房地产总经理管理经验 计算模型，计算结果与试验结果及 {高等学校博十点萆金(20070299006)和江苏省人大人才高峰(07D019) 资助项目。加l108ll收到初稿，20lll228收到修改稿 通常的经验定性分析一致。俞杰英等14J通过试验分 析了轮胎横向花纹沟几何因素对与轮胎噪声的影 响，确定了轮胎横向花纹沟槽的长度对噪声影响尤 为显著。从上述的几种分析方法中看出，目前针对 轮胎花纹泵吸噪声的研究与设计主要依靠理论(单 极子源)与试验相结合，或者主要以试验进行定性分 析，难以准确地阐述泵吸噪声的发声原理及产生的 物理过程。近年来，Ligllthill声类比理论不断发展， 以计算流体力学为基础的CFD方法得到了广泛的 应用，拓展了轮胎花纹泵吸噪声的分析思路。 本文以传统气动声学理论基础Lighthill声类比 理论，建立了轮胎横沟CFD模型。通过分析横沟沟 内的流场变化，利用计算流体力学软件Fluent中的 气动噪声模块预测单个横沟泵吸噪声，并结合涡声 理论，分析横沟流场涡量与泵吸噪声之间的关系， 利用流场变化定性分析噪声，从而达到利用CFD方 法实现优化轮胎花纹的目的。 万方数据 2们2年2月 王国林等：轮胎单个横沟泵吸噪声计算方法研究 117 l气动噪声理论 1．1 ugh也m声类比理论 在低马赫数不可压缩条件下，假设空气为理想 气体，根据Li蛳iIl波动方型”1 害印2班矗卢嗍(1) 式中，∥为介质密度脉动，p为介质波动后密度， 岛为初始介质密度，c0为参考声速t可取远场的常 值声速，瓦为Lighthin应力张量即四声极子源， 弓=胛，叶+(p，一磊∥)岛一勺，磊为克朗内克函数 (坷时，磊=1，f≠，时，磊=o)，p叩，为雷诺应力 项；。p’一矗∥为非等熵流动影响；％表示粘性影响； 一为压力脉动，一=p一岛；坼是流体在玉方向的 速度分量。 LIG}f咖．L指出式(1)与静止介质中的四声极 子源所引起的声场波动方程具有相同的方式，即自 由湍流的密度波动与具有声速c0的静止理想介质 中的四极子源分布引起的小振幅密度波动之间存在 精确的类比。wmLLAMs和HAwK矾Gs将这种类 比理论推广到考虑运动固体边界对声场的影响，得 到了著名的Fwm方程 专警坷2p’=去(弓日㈣一 著【弓～+肛r‰一v口)JJ∽+ 素(岛％+po。一vn))以，) 町，=托篙：阶号笋 (2) 式中，描述曲面，(当，=0时为“嵌”在计算流域 外部的数学曲面)，日U)为阶跃函数、J(，)为狄拉 克函数，％是指向曲面外部区域U>0)的单位法 矢量；‰为／=O面上的法向速度：吒为物面速度 的法向分量；f、，、t分别代表笛卡儿坐标系的x、 )，、z轴的正方向；B为可压流体应力张量，层= 孵一∥[考+鼍一；警岛】；u灿应力张量 毛=p叩，+弓一《p一岛)磊· Ligh也iU声类比理论通过不断的发展，工程应 用越来越广泛，已成为气动噪声预测的主要手段。 1．2涡声理论 传统气动声学研究的理论基础一方面按照 Li曲thiU声类比理论继续深入，另一方面为了解释 流场与声场的相互作用及声波能量在流体中如何产 生与传播等问题，引发了涡声理论的产生与发展。 涡声理论又称Poweu理论pj，是由POWELL 在19“年提出的它是从Lighlhill基本方程导出的。 1975年，HOwE通过流体连续方程和动量方程推导 出来的流体总熵为声学变量的涡声理论基本控制方 程p】。针对等熵低马赫流体，其涡声方程为 f l a2 ．1 {÷丢了一V2}日=diV(∞×V)(3) L吒o‘ J 式中，Ⅳ为流体总焓，H=p加+o．5v2，∞为流动 涡矢量，口=v×v，v为速度矢量。该方程不仅包 含了比POwEu。所提出的方程更多的因素，还可 以研究平均流与声波的相互作用以及脉动热源引起 的声音等问题。 涡声理论的发展，对流场与气动噪声之间关系 做出了解释，能够直观地将流场与噪声联系起来。 2泵吸噪声仿真模型 滚动轮胎花纹沟体积变化以及在该过程中沟 内的流场运动，将是分析泵吸噪声发声机理的关键。 2．1横沟沟底边界条件 为考虑横向花纹沟在轮胎滚动过程中体积变 化对噪声的影响，在有限元软件Abaqlls中建立了 只具有横向花纹沟槽的205／50R16子午线轮胎有限 元分析模型，其标载为4lN， 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 气压为O．24枷Pa， 如图l所示。为有效实现轮胎的稳态滚动，首先利 用Abaqm的隐式求解器ABAQus／sta|1dard中以 19．44m，s的速度模拟轮胎的滚动，其接地印记如 图2所示。然后隐式中的计算结果导入显式求解器 ABAQAus／Explicit中以相同的滚动速度进行滚动 分析，滚动直至达到稳定状态。 O■) 为获得花纹沟在接地过程中体积随时间的变 化，分别提取胎面和花纹沟底的位移时间曲线如 万方数据 机械工程学报 第48卷第4期 图3所示。当胎面节点沿垂直于路面方向的位移不 随时间变化时作为花纹沟进出接地的时间点，取该 时间段花纹沟底面的位移时间曲线如图4所示。将 图3中对应时间段内的位移曲线作为cFD中的横沟 沟底变形的边界条件。 E E i 静 趟 对称面 图5单个横向花纹沟cFD模型 横向花纹沟的尺寸为6mmxl00mmx6mm，为 了使横沟的流场充分发展，进出口附近的空气计算 域尺寸定为60mm×100nltnx25mm。模型的网格采 用了非结构网格方法，在横向花纹沟内的网格均由 单元边长为0．2mm的六面体网格组成。考虑到横 向花纹沟沟对外部空气的影响程度随距离的增加逐 渐减小，故将计算域分成几个部分，离横向花纹沟 越远网格尺寸越大，与横沟相连部分由最小单元边 长为0．3mm、最大单元边长为10mm的五面体网 格组成，整个模型的网格数为1662394。由于模型 采用非结构网格，在横向花纹沟与外部空气的连接 处，需要设置两对交界面来实现流域的连通。 cFD计算包括不可压缩定常和非定常计算。定 常计算采用标准女．∞模型求解获得流场的基本信 息，作为非定常计算的初始流场。在进行非定常计 算时，选取大涡模拟(La礓eeddysimulation，LES) 模型，同时利用FLuENT软件中的动网格技术，来 模拟横沟的变形。模型边界条件如下表所示，其中 uDF为用户定义函数。 表边界条件 边界位置 边界条件 设定值 计算域前端 入口速度’州m·f‘) 19“ 计算与后端 出口压力口，Pa 0 其他 壁面 固定 横沟淘底 壁面 IJDF导入 对称面 对称 标准对称面 交界面 Inter缸e 3仿真分析 为避免近场湍流对噪声测定的影响，通过沿y 方向取观测点，其声压频谱图不发生明显变化时的 点作为观测点，认为该观测点可以反应泵吸噪声的 噪声频率分布情况。通过仿真实践，最终选取点爿 (O，150，01mm作为观测点。 由图6可以看出，噪声峰值出现在1．5～2．O kHz，与众多轮胎噪声试验的噪声峰值比较符合【4’⋯， 但是这还不足以说明模型的正确性，根据学者 sANDBERG等”1针对花纹形式对轮胎噪声的试验， 选择花纹如图7所示，其横向花纹沟槽宽度为 6mm，深度6rnIll。 罩 _ 毫} 出 板 额率，，kHz 图6点』的噪声频谱 皿Ⅱ 万方数据 2012年2月 王国林等：轮胎单个横沟泵吸噪声计算方法研究 119 将具有横向花纹沟轮胎的噪声与光胎噪声进 行非线性相减，排除轮胎振动等非空气流动引起的 噪声影响，从而确定仅由轮胎花纹引起的噪声频率 分布。同时将CFD预测噪声转化为l／3倍频程分布， 对比图7花纹形式的试验结果，如图8所示。通过 对比图8中频率分布分析可以发现，噪声峰值主要 集中在O．8～2．0k}Iz，在该频段试验的噪声较预测 噪声的变化更为显著，这是由于横向花纹沟与地面 形成的空腔的共振频率大致为1．5l(Hz，使该处的噪 声增大【71。观察试验与仿真的结果，在轮胎噪声研 究的主要频段5．OkHz以下，两者的噪声变化趋势 基本一致，可认为CFD模型对泵吸噪声分析有效。 ∞ 鼍 _ 巅 出 扳 频率厂脑{z 图8试验与CFD预测结果l／3倍频程频谱曲线对比 由图9可以看出，单个横沟泵吸噪声在2．5～ 3．OⅡ塔、3．O～3．5IIls以及5．O～5．5ms三个时间段出 现峰值，最大峰值出现在3．O～3．5ms段。同时由该 时域图可以发现，0～2．5I璐的泵吸过程及3．O～5．1 ms声压基本为0，即声压峰值出现在泵吸状态发生 转变的时间段。这是因为声音产生在涡矢量变化的 区域，气动噪声仅由涡矢量决定，在整个流域中涡 矢量与声场线性关系【l⋯。 鼍 出 扳 图9点彳噪声时域图 为分析轮胎花纹沟变形对流场的影响，通过取 观测点召(5，95，0)I姗的气体流速变化(图10)来描 述流场，同时根据涡量在不同时刻变化，由整个流 域中的涡量来分析流场与噪声的关系。统计出9个 时刻的流域中每个单元涡量大小，如图11所示。 1 I 。l ：1 詈l 瑙 堰 基 F O 1 2 3 4 5 6 时间，，ms 图10点口气体流速～时间曲线 680 660 640 鲁620 鼋600 萎；瑟 540 520 。 时I目f／ms 图ll流域涡量一时间曲线 由图lO和图11可知，从O～2．5ms，花纹沟处 于泵气阶段，由于沟底变形将空气逐渐向花纹沟口 挤出，沟内空气开始出现变化，涡景变化处于缓慢 上升阶段；从2．5～3．0ms泵气阶段处于尾声，由于 沟内挤出空气“撞上”外部空气，使得点B速度降 低，沟内流场变化复杂，此时的涡量变化明显增大。 在3．O～3．5ms，花纹沟底位移基本为零，沟内空气 与外部空气相互作用得到一定的发展，使得观测点 速度增大，流域涡量变化继续增大，且3．O～3．5I璐 涡量变化明显大于前一时间段；最后在4．5～ 5．5lns，花纹沟处于吸气阶段，点曰速度增加并基 本保持平稳，直至吸气阶段结束，由于点B受到横 沟外的流场影响，速度增加并逐渐接近外部流场的 速度，此时的涡量先增大后减小，变化拐点出现在 吸气阶段结束的时刻。对比泵吸噪声在时域中的三 个噪声峰值其均出现在涡量变化较大的时间段。 4结论 (11CFD分析的噪声频谱与试验结果一致性良 好，这说明CFD方法分析轮胎泵吸噪声的有效性。 (2)单个横向花纹沟泵吸噪声在三个时间段出 现峰值，最大峰值出现在3．0～3．5ms，声压峰值出 现在泵吸状态发生转变的时间段，其他时间段声压 基本为零。 (3)单个横向花纹沟泵吸噪声在时域中的变 化，与整个流场的涡量大小变化在趋势基本相同。 ．表明了可依据涡声理论，利用CFD方法根据流场的 涡量信息定性的分析噪声，并指导轮胎花纹设计。 (下转第128页) 万方数据 128 机械工程学报 第48卷第4期 (ancushionVehicle)憾ing3DVOFwimL舭ngi锄 propagationillcomputatiomldomain[J】．Compmers& Structures，2008，86(7-8)：627．641． WONGJYOnmeapplicationofaircuslliontecllIlolo鲥 t0o傣mad仃ansport叨．C觚adianAeronautics眦dSpace Jo啪al，1973，19(1)：17-19． RAHEMANH．Fe邪ibilityofoperatingaircushion vehiclein wetlandpaddyfield[J】．Journalof 1’emmechanics，1991，27(4)：321．330． 何玮，马岳峰，刘昭度，等．垫升车辆气垫流场分布仿 真计算[J】．液压气动与密封，2005(2)：26．28． 胍Wd，MAYuefeng，LIUzhaodu，eta1．Fluidfield distrib谢onsimul“0noftlleair-cushionvehiclerJl． HydImllicsPne砌atics&Seals，2005(2)：26．28． 何玮，刘昭度，马岳峰，等．气垫车辆静垫升稳定性分 析[J】．计算机仿真，2006，23(3)：204．206． 腿Wd，LIUZhaodu，MAⅥle】Feng，eta1．Therise stabili哆ofanc璐hi∞Vehicle叨．ComputerSimulation， 2006，23(3)：204-206． WoNGJYTlIeoryofgroundvehicles[M】．3rded． 0ttawa：Jollnwiley&SonSInc．，2001． 伍悦滨，朱蒙生．工程流体力学泵与风机[M】．北京： 化学工业出版社，2006．’ WUYucbin，Z叫 M锄gsh即g．Engineeringfluid mech锄ics：P咖叩s锄df；ms【M】．Beijing：Ch锄ical In“stIyPress，2006． ⅪEDong，MACong，LUOZhe，eta1．N啪ericaland exp耐mentalstIldyonaircushionsystcm由，namicsfbr s锄i-眦kair-cllshionVehicle【C】／／The3rdIntemati伽m Con向蜘ceon MechaIlicalEngine舐ng锄d Mecb锄ics(3rdICMEM)．Beijillg，2009：1819—1826． 作者简介：谢东，男，1982年出生，博上研究生。主要研究方向为车辆 动力学及控制。 E-mil：xicdl982@163．com。 罗哲，男，1959年出生，教授，博士研究生导师。主要研究方向为车辆 动力学及控制。 E-mail：lll0丑le@sjtII．咖．∞ (上接第119页) 参考文献 n】ⅪMS．PRdictionmethodfoftireanpunlpingnoi∞ 璐inga hybridtecllIlique【J】．AcousticalSocietyof America'2006(119)：3799—3812． 【2】陈理君．轮胎花纹噪声仿真与优化系统软件设计【J】． 轮胎工业，2000(4)：199．202． CHENLiju．1．readpan锄noi∞simulati∞and 0ptiIIlizationsystcmso脚aredesigIl[J】．TireIndusny， 2000(4)：199·202． 【3】于增信，肖旺新．轮胎花纹沟泵气噪声模型【J】．汽车工 程，2008(8)：692．695． YUZ锄黔哦Xn0W抽黔in．Amodelfortireair pumping∞isef．rom仃ead粤．00ve[J】．Automotive En舀ne硎ng，2008(8)：692—695． 【4】俞英杰，梁燕，马文俊，等．轮胎横向花纹噪声影响因 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周海超， 高龙， WANG Guolin， MAO Zhujun， ZHOU Haichao， GAO Long 作者单位： 江苏大学汽车与交通工程学院 镇江 212013 刊名： 机械工程学报 英文刊名： JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 年，卷(期)： 2012,48(4) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jxgcxb201204019.aspx