基于離散氣動系數的轎車瞬態側風穩定性研究

楊建國

廣州汽車集團股份有限公司，廣州, 511434

基于離散氣動系數的轎車瞬態側風穩定性研究

楊建國

廣州汽車集團股份有限公司，廣州, 511434

摘要：建立了在側風作用一般情形下的汽車運動矢量關系，利用ADAMS Car建立了完整的轎車多體動力學模型；在整車外流場初步分析的基礎上，利用該矢量關系將離散的氣動六分力系數轉化為側風工況下的連續氣動載荷，根據車身橫擺角進行了數值擬合實時加載；按照ESV規范的要求進行了瞬態側風穩定性仿真，探討了氣動載荷簡化對側風穩定性的影響規律，定量仿真的結果與外流場定性分析的結果一致，證明了該方法正確可靠。

關鍵詞：氣動力；矢量關系；側風穩定性；瞬態；仿真

0引言

汽車的側風穩定性研究是汽車操縱動力學研究的一個重要內容，側風穩定性直接關系到車輛高速行駛時的主動安全性。當前對于側風穩定性的研究方法主要有風洞試驗、實車道路試驗和虛擬樣機技術等。風洞試驗對于硬件要求很高，而實車道路試驗具有相當的危險性，因此虛擬樣機技術成為側風穩定性研究的一種重要方法。當前虛擬樣機技術主要采用的方法有計算流體力學(computationalfluiddynamics，CFD)和多體動力學等。CFD主要面向汽車的結構外形和流場分析，并且取得了許多研究成果[1-5]，但該方法無法得到車輛的動力學響應，如要深入研究汽車側風穩定性必須借助多體動力學手段。在多體動力學方面，文獻[6-8]從風壓中心變化、風譜等多個角度對側風穩定性進行了研究，得到了許多有益的結論；尹浩等[9]分析了汽車結構參數的側風靈敏度；徐彬等[10]對賽車的側風穩定性進行了研究。這些研究僅從動力學出發，利用簡化的氣動載荷，存在載荷不能客觀反映實際情況的問題。當前大部分的研究都利用了風壓中心的概念，然而在工程實際中風壓中心的位置是無法測量的，對于數值計算來說也是非常困難的[11-12]；其次，目前的研究中大部分僅考慮了氣動側向作用，載荷條件過于簡化，高速行駛的汽車在經過側風區前后的全程中質心處氣動六分力是同時存在的，而氣動載荷的簡化對側風穩定性影響的相關研究目前尚未見報道。

本文基于整車外流場CFD分析結果，利用多體動力學進行汽車瞬態側風穩定性分析，建立了側風作用一般情形下的汽車運動矢量關系，探討了氣動載荷簡化對側風穩定性的影響。

1一般情形下的矢量關系

圖 1　側風作用下的運動矢量關系

在開環系統中，從汽車進入側風區開始，在側向風干擾作用下實際的運動方向會偏離初始的車速方向，產生車身橫擺角α；氣流側偏角φ為合成氣流(即來流)與汽車縱軸線的夾角[12]，流入角ε為受擾動后的實際車速方向與側風的夾角，其基本的運動矢量關系如圖1所示。從圖1中可以看出，當0≤ε<90°時，汽車運動具有順風趨勢；當90<ε≤180°時，汽車運動具有逆風趨勢。

以點o為坐標原點、初始車速方向為X軸正方向建立直角坐標系；受擾動后的車速為v1、側風速度為v2、來流速度為v3，三者速度矢量之間存在如下關系：

v3=-v1+v2

(1)

設向量-v1=(a,b)、v2=(0,c)，則向量v3=(a,b+c)。側偏角φ滿足以下關系：

(2)

車身橫擺角

(3)

氣動力

(4)

氣動力矩

(5)

式中，ρ為空氣密度；S為正向迎風面積；CF氣動力系數；CM為氣動力矩系數；l為軸距。

在車速大小和氣流側偏角已知的情況下，利用式(1)～式(3)可以推導出相應的車身橫擺角，式(4)～式(5)可以計算出相應的氣動六分力；上述矢量關系是連接整車外流場分析與多體動力學分析的重要橋梁，可以將外流場分析得到的氣動六分力系數轉化為多體動力學仿真的輸入載荷。

2外流場初步分析與載荷轉化

2.1整車外流場初步分析

定義整車采用的車輛坐標系：X軸向后為正，Y軸向右為正，Z軸向上為正；該坐標系同樣適用于后面的動力學分析。

采用長方體計算域，其長寬高分別為11L、7W和5H，其中，L、W、H分別為整車的長、寬、高，計算域示意圖見圖2。汽車靜止在計算域中，來流速度v3可以分解為側風速度v2和車輛縱向速度v1，氣流側偏角φ如圖2所示。

圖 2　外流場數值模擬示意圖

由于風壓中心位置的確定非常困難，本文采取輸出整車質心處的氣動六分力系數[12]；計算過程中氣流側偏角φ從初始值0°開始，每增加5°計算相應位置下的六分力系數,結果如表1所示。

表 1　氣動六分力系數表

氣動六分力系數可看作氣流側偏角的函數，在側風作用下，氣動橫擺力矩有使汽車繞Z軸轉動的趨勢，如果產生的氣動橫擺力矩有減小橫擺作用的趨勢，此時汽車具有側風穩定性[12-15]，即側風穩定性氣動導數?CMz/?φ<0。

由對稱關系知，橫擺力矩系數為側偏角的奇函數；因此可將表1中的氣動橫擺力矩系數關系擴大至-60°～60°范圍，如圖3所示。

圖3　氣動橫擺力矩系數特性曲線

從圖3可以看出，曲線在側偏角[-40°,40°]范圍內為上升趨勢，側風穩定性氣動導數大于零，即該車在側偏角-40°～40°內具有側風不穩定特征。

2.2氣動六分力載荷轉化

多體動力學仿真的分析工況按照美國ESV規范進行：汽車轉向盤固定不動，以50、80、110 km/h車速通過寬度為6 m的側風作用區，側風風速為80 km/h。以通過6 m側風區后2 s汽車到達地點的側向偏移量作為評價指標見圖4。

圖 4　側風工況示意圖

由圖4可知，在ESV工況下車速v1、風速v2都為已知，表1中氣流側偏角已知，利用式(1)～式(3)即可推導出相應的車身橫擺角和合成氣流速度，如表2所示。此外，在進入側風區前的初始車身橫擺角為0°。

表 2　矢量關系計算結果

為了更加接近真實情況，提高仿真精度，本文將氣動六分力都加以考慮，同時考慮了靜止空氣中由車速引起的氣動力；根據表2中的來流速度及相應位置的氣動系數，由式(4)～式(5)可得到對應車身橫擺角下的氣動六分力，限于篇幅這里不詳細列出。

3動力學建模與計算

3.1ADAMSCar多體動力學建模

針對正向開發過程中的某車型，在ADAMSCar模塊中建立包含前后懸架子系統、轉向子系統、前后橫向穩定桿子系統、車身子系統等的整車模型，如圖5所示。

圖 5　整車動力學模型

3.2仿真計算

汽車通過側風區的整個過程可以用四個時間點來表達，如圖6所示。分別為：車頭進入時刻t1、車尾進入時刻t2、車頭離開時刻t3、車尾離開時刻t4。汽車以不同速度通過側風區，這里統一設定t1為0.1s時刻，即考慮了汽車在進入側風區之前的靜止空氣中的氣動力。

圖 6　經過側風區示意圖

根據2.2節中得到的車身橫擺角與氣動六分力的關系，在ADAMSCar中采用Akima樣條曲線，以插值法在整車質心處添加氣動六分力，在t1～t2和t3～t4的過渡期間，氣動力是逐漸變化的，這里采用ADAMS中的step函數來模擬[6-7]，仿真過程中經過樣條插值得到的連續變化的氣動六分力如圖7～圖12所示。

由圖7～圖12可以看出，各個風速下的氣動六分力都呈現出三段平臺的特點， 即進入側風區前后的氣動力都是存在的；隨著車速的增大氣動六分力逐漸增大，且車速越大在側風區內的時間越短。在側風區內的氣動力都為平臺趨勢，由于采用插值計算方法，所以側風區內的車身橫擺角變化不大。

圖 7　氣動阻力

圖 8　氣動側力

圖 9　氣動升力

圖 10　氣動側傾力矩

圖 11　氣動俯仰力矩

圖 12　氣動橫擺力矩

為了考察載荷簡化對側風穩定性結果的影響，本文將各車速下的氣動六分力與氣動二分力(即只考慮氣動側力、氣動橫擺力矩)兩種載荷情況都加以計算，仿真得到的計算結果如圖13、圖14所示。

圖 13　側向位移

圖 14　車身橫擺角

4結果分析

4.1定性與定量分析

從定性分析來看，車輛進入側風區的初始橫擺角為0°,由表2可知，當車速為50km/h時，0°橫擺角對應的氣流側偏角約為58°；當車速為80km/h時，0°橫擺角對應的氣流側偏角約為45°；由圖2可知，初始氣流側偏角58°和45°都處于側風穩定區域內，安全閾度較大，因此其側向偏移量不會太大。而當車速為110km/h時，0°橫擺角對應的氣流側偏角約為36°，在[-40°,40°]范圍內，具有側風不穩定特征，因此其側向偏移量會比較大，可能超出安全限值。

定量分析，根據ESV(experimentalsafetyvehicle)規范，當車輛受側向風擾動產生的側向偏移量Ey大于安全限值Ey_s時，會有與其他車輛發生碰撞的危險。Ey的最大限值為

Ey_max=(WR-WV)/2

(6)

其中，WR為車道寬度、WV為車輛寬度，安全限值為Ey_s=0.9Ey_max，當超過安全限值時，危險性急劇上升。不同工況下的側向位移如表3所示。

表 3　側向位移量

從表3可以看出，在氣動六分力的作用下，車速為50km/h和80km/h時，其側向偏移量均未超過安全限值，側風穩定性較強；而車速為110km/h時的側向偏移量1027mm超出了最大限值980mm，具有側風不穩定特征，側風危險性極大。

不同車速下的車身橫擺角如表4所示，從表4可以看出，在側風作用下的車身橫擺角變化比較小，最大只有1°，驗證了3.2節中氣動六分力載荷曲線的平臺特性。

表 4　車身橫擺角

綜上，定性分析與定量分析的結果基本一致。

4.2氣動載荷簡化對仿真結果的影響

當采用風壓中心概念時，作用于汽車的氣動力只有三個方向的平動力，而不存在氣動力矩；當前大部分研究都是只考慮風壓中心的氣動側向力，當轉化為質心處理，即相當于只考慮氣動側向力和轉化而來的主要的氣動橫擺力矩，載荷情況較為簡單，而實際質心處是一直受到氣動六分力作用的。

本文對采用氣動二分力和六分力兩種載荷情況都做了分析，如圖13、圖14、表3、表4所示，可以發現在各車速下，只添加氣動二分力的側向位移和車身橫擺角均比六分力的側向位移和車身橫擺角大；隨著車速的增大，偏移量誤差有逐漸增大的趨勢；由于高速時側向偏移量與最大限值較為接近，誤差的增大會直接影響評價結果。

因此，氣動載荷的簡化對仿真結果存在一定的影響，尤其對于高速時的側風穩定性評價影響較大。

5結論

(1)根據汽車在側風區內的實際情況，推導了一般情形下的運動矢量關系；將CFD與多體動力學方法相結合，在外流場初步分析的基礎上，利用該矢量關系提出了基于離散氣動力六分力系數的瞬態側風穩定性分析方法，避開了風壓中心的計算與測量困難的問題。

(2)在ADAMSCar中建立了詳細的整車動力學仿真模型，根據ESV規范進行了側風穩定性仿真，動力學定量分析與外流場定性分析的結果基本一致，驗證了該方法的正確性與有效性。

(3)探討了氣動載荷簡化對側風穩定性仿真結果的影響；只考慮側向和橫擺氣動載荷，其側向偏移量比全面考慮氣動六分力大，且隨著車速增大誤差逐漸增大，對高速側風穩定性評價結果會產生較大影響。

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(編輯王艷麗)

ResearchonAutomotiveTransientCrosswindStabilityBasedonDiscreteAerodynamicCoefficients

YangJianguo

GuangzhouAutomobileGroupCo.,Ltd.,Guangzhou, 511434

Abstract：The motion vector relation of a car was built under the action of crosswind in general case, a multi-body dynamics model of the car was established by using ADAMS Car. Based on the external flow field analyses of body, the discrete aerodynamic six-component coefficients were translated into continuous aerodynamic forces by using the vector relation, the crosswind load was exerted in real time according to yaw angle of body; the transient crosswind stability simulation was executed according to ESV regulations.The influence rules of simplified aerodynamic load on crosswind stability were discussed, the quantitative simulation results are agree with the flow field qualitative analyses, which proves the correctness and reliability of the method.

Key words：aerodynamic force; vector relation; crosswind stability; transient; simulation

收稿日期：2015-05-04

中圖分類號：U461.1

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.04.022

作者簡介：楊建國，男，1986年生。廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院工程師。主要研究方向為汽車系統動力學、汽車底盤性能分析設計等。發表論文4篇。