汽車側風穩定性的仿真與評價*

袁俠義，陳 林，黎 帥，2，王文源

（1.廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434；2.武漢理工大學，現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，武漢 430070）

前言

消費者對汽車動力性的偏好及法規對燃油經濟性的要求促使現今汽車呈現出了高速化和輕量化的趨勢，側風對汽車的影響越來越明顯。側風分為因山谷、橋、海等地理環境引起的環境側風和因會車、超車、轉向等引起的行駛側風。隨著經濟的高速發展，我國建造了許多舉世矚目的基建工程，跨海大橋、沿江公路和山谷隧道口等區域風場的風速大且變化劇烈，汽車的行駛安全受到嚴重威脅。尤其是近年來全球極端氣候事件如強臺風發生的頻率顯著增加，汽車側風穩定性的研究顯得更有必要。

風洞試驗是研究側風作用下汽車靜態氣動特性最有效的手段。Dominy［1］和 Howell［2］分別通過風洞試驗和實際道路側風發生器對實車進行了側風穩定性的研究。國際標準ISO 12021：2010［3］和美國ESV（experimental safety vehicle）側風敏感性試驗規范均從測量設備和方法上對實車側風試驗進行了標準化。但實車試驗往往要求車型已處于研發的成熟階段，無法在汽車開發的早期對其側風敏感性進行評估，試驗成本高且具有一定的危險性。

CFD常用來解決氣動減阻［4］、氣動噪聲［5］和機艙熱管理［6-7］等問題。隨著數值模擬技術的發展，汽車空氣動力學和汽車動力學實現了良好的融合，高速行駛時汽車側風穩定性的研究取得了快速的發展。吉林大學傅立敏等［8-9］采用橫擺模型法對多個側風強度下轎車的氣動特性和尾渦形狀進行了比較。任琳琳［10］通過CFD數值模擬，研究了重型商用車在不同非穩態側風工況下流場的瞬態變化情況，得到了車輛隨側風變化的氣動力系數，分析了車身周圍流場的變化規律。Cooper和Watkins［11-12］探討了非穩態的湍流側風環境對汽車氣動特性的影響，分析了不同湍流特性之間的差別。上述研究對側風條件下的汽車氣動特性進行了深入的探討，但對側風條件下汽車的操縱穩定性則未涉及。

影響汽車側風穩定性的因素有很多，除了側風速度大小、汽車的外形結構和質心位置以外，還有車輛的懸架特性和輪胎特性等因素［13］。一些研究采用風壓中心的概念簡化氣動載荷對側風穩定性的影響，給出風壓中心相對于質心的位置或風壓中心隨時間的變化曲線［14-15］，研究動力學模型響應的變化規律，并針對性地提出讓側風風壓中心盡量靠后的措施［16-17］。但在工程實際中汽車的風壓中心無法測量，不易應用到數值計算。李杰［18］和張義花［19］等基于TruckSim軟件對某國產載貨汽車和雙掛汽車列車的側風行駛穩定性進行了仿真，分析汽車在不同工況下的操縱穩定性。湖南大學董光平和谷正氣［20］等人利用ADAMS軟件建立了重型牽引車的多體動力學模型，分析了側風干擾下高速行駛的重型半掛牽引車的側偏特性，并以導流罩為目標，基于代理模型和遺傳算法，對導流罩進行了優化設計。廣汽集團楊建國［21］采用Star ccm＋和ADAMSCar計算了車身表面的氣動六分力并轉化為側風工況下的連續氣動載荷，比較了六分力載荷和二分力載荷對側風穩定性的影響規律。

這些研究通過多體動力學仿真的方法對整車在不同側風條件下的操縱穩定性進行了定量分析，但仍缺乏相關的實車試驗驗證，不足以指導新產品側風穩定性的設計與研發。

1 側風穩定性的研究路線

側風嚴重破壞了車輛左右兩側流場的對稱性，導致汽車兩側的壓力分布差異很大，出現壓力差，使得汽車受到側向力和橫擺力矩的作用。由于輪胎有側向彈性，懸架、轉向系統存在間隙，汽車會偏離原行駛方向。當速度過高時，不僅導致氣動力增大，同時側偏位移和橫擺角速度也會增加，給駕駛員帶來車輛跑偏、車身不穩的感覺。當側風的頻率較低時，駕駛員尚能采取措施，保持汽車的行駛軌跡。當側風的頻率高于2 Hz時［22］，駕駛員無法采取有效措施克服側風的影響，極易干擾駕駛員的情緒，車輛存在侵入臨近車道的風險。

圖1 側風穩定性的研究路線

如圖1所示，本文的研究采用CFD方法對汽車在正常道路上行駛時側風作用下汽車的氣動特性進行了系統的分析。利用風洞試驗得到車輛的氣動力來驗證數值模擬方法的正確性。再將數值模擬得到的氣動六分力系數加載到動力學模型中，進行車輛的操縱穩定性分析，求解橫擺角速度和側偏位移。最后采用主觀評價的方法比較側風下汽車穩定性的優劣，并根據主觀評價結果，結合仿真得到的側偏位移和橫擺角速度，來預測汽車的側風穩定性，指導新車型的側風穩定性開發。

2 側風作用下的氣動力計算

2.1 整車外流場仿真模型的建立

采用三維建模軟件CATIA建立了1∶1實車模型，如圖2所示。為提高仿真的準確性，該模型包含格柵、機艙、下車體、機艙零部件和底部氣動附件等影響外流場的零部件。由于側風作用下的汽車流場對汽車中心面（y＝0截面）已不對稱，故分析中對整車模型進行仿真。計算域采用長方體，長寬高分別為15L，15W和5H，車頭前部為4L，車尾后部10L，迎風側面4W，背風側面10W，其中L為車長，W為車寬，H為車高。

圖2 計算域尺寸示意圖

在Hypermesh中對模型表面進行幾何清理，劃分面網格。導入Star ccm＋，建立多層加密盒，加密盒的尺寸由內到外逐漸遞增，生成Trim體網格，并在車身表面劃分邊界層以準確模擬車身附面層。為滿足壁面函數的要求，邊界層為2層，y＋值為30～120，最終生成的整車體網格約4 000萬個，如圖3所示。

目前常用的穩態側風數值模擬方法有橫擺模型法、引入側風法和合成速度法。合成速度法設置速度入口的大小和方向，在體網格的處理上具有省時省力的優越性，計算結果與試驗結果變化趨勢一致且誤差較小［23］，故本文中采用合成速度法，汽車迎風側相對的邊界為計算域的入口，背風側相對的邊界為計算域的出口，其中入口邊界設置為速度，出口設置為壓力，如圖4所示。

圖3 整車外流場仿真模型體網格

圖4 合成速度法

2.2 邊界條件和湍流模型

為消除地面邊界層的影響，地面采用slip滑動壁面，并參考車速設定相應速度，計算域的頂部設置為free slip壁面，車輛表面設置為no slip壁面，散熱器、中冷器和冷凝器芯體采用多孔介質模擬，各邊界具體設置如表1所示。

表1 計算域邊界條件設置

空氣密度和黏度均采用默認值，即溫度為25℃時空氣的物性參數。計算選用分離式算法，湍流模型選擇 Realizable k-ε模型，控制方程如下［24］：

式中：Gk和Gb分別為由平均速度梯度變化和浮力引起的湍動能k的產生項；YM為可壓縮湍流耗散率受到脈動膨脹的比例因子；C1ε，C2ε和 C3ε為工程經驗值；σk和σε分別為對應湍動能k和耗散率ε的普朗特數；Sk和 Sε為自定義項。

車輛行駛速度為60，80，100 km／h，側風速度為40，60，80 km／h，組合成 9個工況，如表 2所示。

表2 側風與車速組合方案

2.3 外流場仿真數值結果的驗證

汽車風洞試驗在同濟大學地面交通工具風洞中心進行，通過側風發生器調節側風的強度，配備有專門的六分力浮框式應變天平、表面壓力測量系統、轉盤系統和PIV試驗測量設備等（見圖5）。因為仿真工況中側風過大，風洞試驗中難以模擬該工況，本文中風洞試驗僅以航偏角為10°和20°的兩個工況對仿真結果進行驗證，驗證工況的速度邊界如表3所示。

因汽車受到的空氣作用力為面分布力，為便于描述和分析，將面分布力向各作用點簡化，得到作用于該點的等效力和力矩，為便于動力學分析，將氣動力向質心簡化，如圖6所示。

圖5 風洞試驗

表3 仿真模型驗證工況

圖6 氣動力簡化

按照上述簡化原則，以某車型A為例，對仿真和風洞試驗數據進行處理，經與試驗對標，上述兩個工況的仿真誤差基本上在5%以內，證明該CFD仿真網格的處理、湍流模型的選擇和邊界條件的設置能滿足工程要求，詳細結果如表4所示。

2.4 氣動六分力的計算結果

基于上述驗證后的仿真模型，按照表2所示的側風工況，開展各工況下的氣動六分力穩態仿真，最終求得的各質心點的氣動力如圖7所示，氣動力矩如圖8所示。

氣動六分力與車速、側風速度均呈正相關關系。同一車速下（如工況1～3、工況4～6或工況7～9），氣動六分力的絕對值均隨側風速度的升高而增大。同一風速下（如工況 1，4，7、工況 2，5，8或工況 3，6，9），氣動六分力的絕對值隨著車速的升高而增大。橫擺力矩和側向力對側風的變化較為敏感，在車速100 km／h，側風 80 km／h工況下，側向力高達2 342 N，橫擺力矩達-955 N·m，高速運動的汽車受到側風的影響較大，氣動側向力會加劇汽車的側偏，使汽車偏離原來的行駛軌跡，氣動橫擺力矩則會使汽車產生橫擺角速度，兩者都會嚴重影響汽車的行駛穩定性。大量研究表明，汽車發生的最大側向位移與橫擺角速度幾乎呈線性關系。側向力和橫擺力矩對汽車側偏的效果一致，均使車輛向同一側偏移。

表4 車型A的CFD仿真與試驗結果比較

圖7 不同側風工況下車型A氣動力

圖8 不同側風工況下車型A氣動力矩

2.5 風壓中心的位置

當前研究車型的氣動六分力包括在質心處的氣動阻力 Fx、側向力 Fy、氣動升力 Fz、側傾力矩 Mx、俯仰力矩My和橫擺力矩Mz。以質心作為參考坐標原點（0，0，0），坐標系方向與整車坐標系一致，假設風壓中心在參考坐標系下的坐標為（x，y，z），此點的3個力矩均為0。則繞X，Y，Z軸的力矩方程分別為

由于以上方程組的特殊性，方程無解。更直觀的如圖9所示，無法找到一個點（x，y，z）使得上述方程成立，即找不到3個力矩Mx，My，Mz均為0的點。

圖9 求風壓中心的示意圖

為使上述方程組有解，僅考慮側向力Fy對風壓中心的影響，并假設風壓中心在整車縱向對稱面上。風壓中心與質心的水平距離可由式（6）算得：

風壓中心與質心的水平位置如圖10所示，坐標軸與整車坐標系一致，負值代表風壓中心在質心之前。不同工況下，隨著車速和側風速度的增大，側向力Fy和橫擺力矩Mz的值越大。風壓中心離質心最近的點出現在車速較低、側風速度較大時（工況3）。由于風壓中心位置隨工況的變化沒有明顯的規律，無法反映側風穩定性優劣，故須將氣動六分力加載到動力學模型上進行受側風后的響應分析。

圖10 風壓中心與質心的水平距離

3 側風作用下的行駛穩定性響應

3.1 側風穩定性主客觀聯合評價

車輛在側風作用下在順風方向的偏移距離稱為側偏位移（如圖11所示），是評價汽車在側風下操縱穩定性的主要參數，汽車的橫擺角速度則是評價車輛側風穩定性的另一個主要的指標。

圖11 受到側風后汽車偏移示意圖

受側風試驗場地的限制，如何在試驗中直接測量上述指標，以及如何合理設定客觀指標的目標值，用于指導車型前期的設計，是車型開發中比較困難的課題。本文中采用主觀評價與客觀評價相結合的方法，請主觀評價團隊在廣深沿江高速、隧道出入口等存在較強側風的環境中，對車型A和車型B開展實車側風穩定性主觀駕評，按照十點評價法評價駕評結果，各評價等級及評價分數的對應關系如表5所示。

表5 十點評價法評價等級和評價分數對應關系

試驗的主觀駕評員為廣汽研究院試驗部主觀駕評團隊成員，且在駕評前須對主觀駕評員進行培訓以熟悉試驗流程，同時要求同一臺車至少經過3名駕評員的測評，以提高駕評結果的可信度。經過多輪試驗后，最終確定車型A（SUV）和車型B（三廂轎車）的側風主觀駕評結果為“良好”和“略好”，并以這兩款車型作為基準，開展動力學仿真分析，得到側偏位移和橫擺角速度參數，作為新開發車型的側風穩定性客觀評價指標。

3.2 動力學響應計算

當受到側風作用后，若車輛行駛發生較大變化，駕駛員通常會在1 s內操縱轉向盤，修正車輛行駛軌跡。忽略橫擺角變化引起的氣動力變化，即分析中認為氣動力恒定不變，故通過分析恒定側風持續作用下的車輛響應模擬車輛的側風響應。

本文中對于前期主觀評價的車型A、車型B，通過CFD仿真得到了氣動六分力的結果后，基于多體動力學方法，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和車身子系統等的整車模型（見圖12）。分析中設定轉向盤轉角始終保持為0°±1°，采取開環控制即駕駛員未就突遇的側風采取對應的操作措施，模擬側風持續作用10 s的行駛情況。廣汽自主品牌車輛上的ESP傳感器采用方向轉角傳感器和橫擺角速度傳感器等信號發出ESP請求，通過發動機降轉矩，并對某一個或幾個車輪的制動，產生橫擺力矩來修正側風引起的車輛偏斜，進行側風補償。因此重點通過側風作用0.5 s內的側偏位移、橫擺角速度和橫擺角的變化量來評估其側風穩定性。車型A經過動力學仿真求解后，動力學響應的結果如表6所示。

圖12 整車動力學模型

表6 不同工況下車型A橫擺角速度和側偏位移

對于車型A，車速相同時，隨著側風的增強，最大橫擺角速度和0.5 s時的側偏位移逐漸增大；側風強度相同時，隨著車速的升高，橫擺角速度和0.5 s時的側偏位移也增大。在最極端工況，車速100 km／h，側風80 km／h時，側風作用 0.5 s后車型A的側偏位移為 265 mm，最大橫擺角速度為-2.69°／s。

橫擺角的變化量隨車速或側風速度的升高而增大，在同一側風速度下，降低車速是減小橫擺角速度的有效手段，如在側風速度80和40 km／h時將車速從100降低至60 km／h，橫擺角的變化量分別減小了58.95%和54.39%。車速對側傾角最大變化量影響較小，同一側風速度下基本上處于同一水平。但風速對側傾角最大變化量的影響較為明顯。

對于車型B（外造型見圖13），采用相同的CFD仿真和動力學仿真方法，先計算受側風時的車輛氣動特性，再將氣動力加載到動力學模型中。為節省時間，只分析最嚴苛的工況（工況9），即車型B在車速100 km／h，側風80 km／h時，模擬側風持續作用0.5 s時的最大橫擺角速度和側偏位移，氣動六分力的結果如表7所示，動力學響應的結果如表8所示。

圖13 車型B的外造型

表7 車型B的氣動六分力

表8 車型B橫擺角速度和側偏位移

車型B在工況9下的橫擺力矩仿真結果為1 385 N·m，遠遠大于車型B的955 N·m，此時，車型B的風壓中心與質心的水平距離（845 mm）也較大，大于車型A的408mm。車型B對應的側偏位移為374 mm，最大橫擺角速度為-3.79°／s，橫擺角變化量為21.13°。車型B受側風后的動力學響應明顯高于車型A，與前期主觀評價結果相吻合，但兩車型的側偏位移均小于發生側滑事故的極限位移0.5 m［25］。

通過車型A和車型B的仿真分析和主觀評價，得到的結果對以后新車型在詳細設計階段的開發提供了良好的參考。為使新車型具有良好的側風穩定性，車速100 km／h和風速80 km／h工況下的最大橫擺角速度和0.5 s后的側偏位移最好能分別小于3°／s和 280 mm。

4 結論

汽車遭遇較強側風時易駛偏并侵入臨近車道，影響汽車的安全駕駛和操縱穩定性。結合仿真與主觀評價方法的研究結果，得出有關汽車側風穩定性的結論如下。

（1）采用數值模擬方法分析了汽車的氣動特性，得到氣動六分力。仿真結果與風洞試驗數據的誤差在5%以內。在滿足工程需求的前提下，將CFD仿真結果導入汽車動力學模型中，進行側風穩定性仿真，分析持續側風作用下的動力學響應。以側偏位移和橫擺角速度作為側風穩定性的定量評價指標，車型A和車型B在車速100 km／h和側風速度80 km／h的工況下，最大橫擺角速度和受側風0.5 s側偏位移仿真結果分別為 2.69°／s，265 mm和3.79°／s，374 mm。

（2）對車型A和車型B進行主觀駕評，評估側風穩定性的主觀體驗，結果分別為“良好”和“略好”。

（3）將典型車型的仿真結果作為后續新車型開發的參考目標，以指導新車型的側風穩定性開發。為使新車型項目具有良好的側風穩定性，車速100 km／h和風速80 km／h的工況下最大橫擺角速度和0.5 s側偏位移的仿真結果最好分別小于3°／s和280 mm。