會車瞬態(tài)氣動特性對操縱穩(wěn)定性的影響

王靖宇，惠 政，于旭濤，胡興軍

(吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022)

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會車瞬態(tài)氣動特性對操縱穩(wěn)定性的影響

王靖宇，惠 政，于旭濤，胡興軍

(吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022)

采用重疊網(wǎng)格的方法，以2個簡化的SAE模型為研究對象，對會車過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。在極短的會車過程中，影響操縱穩(wěn)定性的側(cè)向力、橫擺力矩和側(cè)傾力矩不僅分別有極值出現(xiàn)，且方向也發(fā)生了改變。在此基礎(chǔ)上，將瞬態(tài)變化的氣動力載荷施加到整車系統(tǒng)動力學(xué)模型上進(jìn)行仿真，探究瞬態(tài)氣動力的變化對操縱穩(wěn)定性所產(chǎn)生的影響。仿真結(jié)果表明：在瞬態(tài)氣動力的作用下，兩車均會產(chǎn)生側(cè)向滑移角、橫擺角速度及側(cè)傾角速度，雖然數(shù)值較小，但也會對車輛的操縱穩(wěn)定性帶來一定的影響。

會車；重疊網(wǎng)格；數(shù)值模擬；瞬態(tài)氣動特性；操縱穩(wěn)定性

汽車在道路上行駛，經(jīng)常出現(xiàn)超車和會車的情況，兩車之間的流場相互干擾，影響車輛的操縱穩(wěn)定性[1-2]。目前，國內(nèi)外汽車空氣動力學(xué)對會車及超車的研究主要集中在會車及超車過程中瞬態(tài)氣動力的變化、速度和間距等對瞬態(tài)氣動力的影響方面[3-4]。在會車過程中，瞬態(tài)氣動力的變化會對車輛的操縱穩(wěn)定性帶來一定的影響，關(guān)于此方面的研究還非常少見。

本文采用重疊網(wǎng)格的方法，對兩個簡化SAE模型的會車進(jìn)行數(shù)值模擬研究，獲得了兩車氣動六分力的瞬態(tài)變化規(guī)律，并將瞬態(tài)氣動力施加到整車系統(tǒng)動力學(xué)模型上進(jìn)行仿真，探究瞬態(tài)氣動力的變化對操縱穩(wěn)定性所產(chǎn)生的影響。

1 瞬態(tài)數(shù)值模擬

1.1 應(yīng)用重疊網(wǎng)格方法進(jìn)行外流場瞬態(tài)模擬的試驗驗證

應(yīng)用重疊網(wǎng)格的方法對直線行駛的SAE模型進(jìn)行了瞬態(tài)數(shù)值模擬，獲得了氣動六分力的數(shù)值及模型周圍的速度場和壓力場分布，并將數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗結(jié)果進(jìn)行對比。風(fēng)洞試驗在吉林大學(xué)汽車風(fēng)洞實驗室進(jìn)行，試驗段尺寸為8 m×4 m×2.2 m，地板為固定地板，如圖1所示。

圖1 風(fēng)洞試驗

將風(fēng)洞試驗的結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，氣動六分力的誤差小于5%，滿足工程要求。數(shù)值模擬得到的SAE模型周圍的速度和壓力分布與風(fēng)洞試驗結(jié)果也比較吻合，說明應(yīng)用重疊網(wǎng)格方法對汽車外流場進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值模擬研究的計算結(jié)果準(zhǔn)確可靠[5]。

1.2 SAE模型和計算域

本文的研究對象為1∶1的階背式SAE模型，模型關(guān)鍵尺寸如圖2所示。SAE模型是非常簡單的汽車形體模型，沒有車輪，僅對幾個平面和棱角進(jìn)行倒角處理，在汽車底部設(shè)置擴散器。在汽車空氣動力學(xué)的研究中，SAE模型獲得了廣泛的應(yīng)用[6-7]。

圖2 SAE模型尺寸

在CATIA軟件中建立SAE模型，最大的外邊界尺寸為4 200 mm×1 600 mm×1 200 mm，離地間隙為200 mm。模型周圍較小的長方體是從域，尺寸為8 500 mm×3 250 mm×3 250 mm，如圖3所示，整個計算域是主域。

圖3 SAE模型

為了保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，整個計算域的尺寸要足夠大，使車輛周圍的流場尤其是尾部的流場能充分發(fā)展[8-9]，見圖4。

1.3 網(wǎng)格劃分

在數(shù)值模擬中，網(wǎng)格的劃分對計算結(jié)果有很大的影響[10-11]。本文在STAR-CCM+軟件中進(jìn)行trim網(wǎng)格的劃分。底部擴散器的網(wǎng)格尺寸為7.812 5 mm，SAE模型其他部分的網(wǎng)格尺寸為 15.625 mm，模型表面最大的網(wǎng)格尺寸為31.25 mm，劃分10層邊界層，最終生成的計算域網(wǎng)格如圖5所示。

圖4 計算域

圖5 計算域網(wǎng)格

從域邊界處的網(wǎng)格尺寸是62.5 mm，網(wǎng)格尺寸每8層增長1倍，同時保證從域和主域重疊部分的網(wǎng)格不少于4層。計算域外邊界的網(wǎng)格尺寸為500 mm。將會車車道部分的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格尺寸為62.5 mm。網(wǎng)格尺寸每10層增長1倍，最終生成了 1 000 萬左右的網(wǎng)格。

1.4 邊界條件及湍流模型

主域的地面為滑移壁面，其余的邊界是壓力出口邊界。從域的頂壁和車身表面是無滑移壁面，其余的邊界是重疊域交界面。

車輛外流場的空氣流動可以看作是定常溫度下的不可壓縮流動，流場的控制方程包括時均連續(xù)方程和雷諾方程。汽車為近地面行駛的鈍頭體，車輛周圍的流動非常復(fù)雜，流線的曲率變化較大，同時需要很好地模擬車身表面的邊界層流動。本次數(shù)值模擬采用了realizablek-ε湍流模型[12]，它適合的流動類型比較廣泛，同時對邊界層的模擬結(jié)果相比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型準(zhǔn)確。

2 數(shù)值模擬結(jié)果

兩車的間距指的是兩車車頭前端之間的相對距離，記為x，用SAE模型的長度l來標(biāo)準(zhǔn)化。2個模型沿各自車道的中心線行駛，速度均為20 m/s。在會車的過程中，2個模型間的橫向距離始終保持不變，為1倍車寬，1.75 m，左側(cè)車為CAR1，右側(cè)車為CAR2。

2.1 瞬態(tài)氣動力變化規(guī)律

從圖6～8可以看出：在會車過程中，氣動阻力、氣動升力和縱傾力矩的數(shù)值隨著兩車位置的變化而不斷改變，分別有極值出現(xiàn)。氣動升力和縱傾力矩的改變會使前后軸的載荷發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致車身運動狀態(tài)的變化，這會給車輛的舒適性帶來一定的影響。

從圖9～11可以發(fā)現(xiàn)：在極短的會車過程中，側(cè)向力、側(cè)傾力矩和橫擺力矩的方向發(fā)生了多次改變，數(shù)值也在不斷的變化中，分別有正負(fù)極值出現(xiàn)，這必將對車輛的操縱穩(wěn)定性帶來一定的影響。

圖6 氣動阻力

圖7 氣動升力

圖8 縱傾力矩

圖9 側(cè)向力

圖10 側(cè)傾力矩

圖11 橫擺力矩

在Adams軟件中建立整車系統(tǒng)動力學(xué)模型，將空氣動力學(xué)仿真得出的氣動力和力矩的瞬態(tài)數(shù)據(jù)通過不斷累加的step函數(shù)輸入，力的施加點為空氣動力學(xué)參考點，進(jìn)行整車系統(tǒng)動力學(xué)仿真，探究會車過程中瞬態(tài)氣動力的變化對操縱穩(wěn)定性的影響。

在極短的會車過程中，整車產(chǎn)生了側(cè)向滑移角、橫擺角速度和側(cè)傾角速度，雖然數(shù)值較小，但處在不斷的變化中，會影響整車的側(cè)偏特性和側(cè)傾安全性。系統(tǒng)動力學(xué)的模擬結(jié)果說明：瞬態(tài)氣動力的變化會對車輛的操縱穩(wěn)定性帶來一定的影響。

圖12 側(cè)向滑移角

圖13 橫擺角速度

圖14 側(cè)傾角速度

3 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬的方法，對兩個簡化SAE模型直線會車過程中的瞬態(tài)氣動特性進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上，將瞬態(tài)氣動力導(dǎo)入Adams模型，進(jìn)行系統(tǒng)動力學(xué)分析，得出了如下結(jié)論：

1) 極短的會車過程中，氣動六分力分別有極值出現(xiàn)，側(cè)向力、側(cè)傾力矩和橫擺力矩的方向都發(fā)生了改變。

2) 在側(cè)向力、側(cè)傾力矩和橫擺力矩的作用下，兩車均會產(chǎn)生一定的側(cè)向滑移角、橫擺角速度和側(cè)傾角速度，這將對車輛的操縱穩(wěn)定性帶來一定的影響。

[1] 李杰，張英朝，張喆，等.轎車大客車會車時的氣動特性[J].同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，38(2)：278-284.

[2] ARTURO DAVILA,ENRIC ARAMBURU,ALEX FREIXAS.Making the Best Out of Aerodynamics:Platoons [C] //SAE World Congress & Exhibition.Detroit:SAE paper,2013(1):0767.

[3] KENJI OKUMURA,TOSHIHIKO KURIYAMA.Transient aerodynamic simulation in cross wind and passing an automobile[C]//SAE World Congress & Exhibition.Detroit:SAE paper,1997:970404.

[4] 胡興軍.車輛超車與會車時氣動特性的動態(tài)模擬研究[D].長春：吉林大學(xué),2006.

[5] 王靖宇，顧慶童，胡興軍，等.彎道行駛車輛瞬態(tài)氣動特性的數(shù)值模擬[J].吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2015(1):44-48.

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[12]王福軍.計算流體動力學(xué)分析 [M].北京：清華大學(xué)出版社,2004:125-126.

(責(zé)任編輯 楊黎麗)

The Influence of Vehicle Transient Aerodynamic Characteristics on the Steering Stability During the Curve Crossing

WANG Jing-yu, HUI Zheng, YU Xu-tao, HU Xing-jun

(State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control,Jilin University, Changchun 130022, China)

. The method of overlapping grid was applied to numerically simulation. The transient aerodynamic characteristics of the flow fields around two simplified model SAE were studied when they crossed each other. During the short crossing, side force, yawing moment and rolling moment, which will affect steering stability, changed direction, quickly reached their positive and negative value. On this basis, the transient aerodynamic forces were applied on vehicle system dynamic model for simulationto study the influence on handling stability. The simulation results show that under the action of transient aerodynamic forces, both vehicles will generate lateral slip angle, yawing angular velocity and rolling angular velocity. Although the values were small, it would have some influence on the handling stability.

crossing;overlapping grid;numerical simulation; transient aerodynamiccharacteristics;steering stability

2016-08-25 基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(11102070)

王靖宇(1976—)，男，博士，副教授，主要從事汽車空氣動力學(xué)研究，E-mail：wangjy@jlu.edu.cn；通訊作者 胡興軍(1976—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事車身工程研究，E-mail: hxj@jlu.edu.cn。

王靖宇，惠政，于旭濤，等.會車瞬態(tài)氣動特性對操縱穩(wěn)定性的影響[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2016(11):7-11.

format：WANG Jing-yu, HUI Zheng, YU Xu-tao, et al.The Influence of Vehicle Transient Aerodynamic Characteristics on the Steering Stability During the Curve Crossing[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(11):7-11.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.11.002

U461

A

1674-8425(2016)11-0007-05