汽車(chē)側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的仿真與評(píng)價(jià)*

袁俠義，陳 林，黎 帥，2，王文源

（1.廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣州 511434；2.武漢理工大學(xué)，現(xiàn)代汽車(chē)零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

前言

消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)動(dòng)力性的偏好及法規(guī)對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的要求促使現(xiàn)今汽車(chē)呈現(xiàn)出了高速化和輕量化的趨勢(shì)，側(cè)風(fēng)對(duì)汽車(chē)的影響越來(lái)越明顯。側(cè)風(fēng)分為因山谷、橋、海等地理環(huán)境引起的環(huán)境側(cè)風(fēng)和因會(huì)車(chē)、超車(chē)、轉(zhuǎn)向等引起的行駛側(cè)風(fēng)。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)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(qū)域風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速大且變化劇烈，汽車(chē)的行駛安全受到嚴(yán)重威脅。尤其是近年來(lái)全球極端氣候事件如強(qiáng)臺(tái)風(fēng)發(fā)生的頻率顯著增加，汽車(chē)側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的研究顯得更有必要。

風(fēng)洞試驗(yàn)是研究側(cè)風(fēng)作用下汽車(chē)靜態(tài)氣動(dòng)特性最有效的手段。Dominy［1］和 Howell［2］分別通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)和實(shí)際道路側(cè)風(fēng)發(fā)生器對(duì)實(shí)車(chē)進(jìn)行了側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的研究。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 12021：2010［3］和美國(guó)ESV（experimental safety vehicle）側(cè)風(fēng)敏感性試驗(yàn)規(guī)范均從測(cè)量設(shè)備和方法上對(duì)實(shí)車(chē)側(cè)風(fēng)試驗(yàn)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。但實(shí)車(chē)試驗(yàn)往往要求車(chē)型已處于研發(fā)的成熟階段，無(wú)法在汽車(chē)開(kāi)發(fā)的早期對(duì)其側(cè)風(fēng)敏感性進(jìn)行評(píng)估，試驗(yàn)成本高且具有一定的危險(xiǎn)性。

CFD常用來(lái)解決氣動(dòng)減阻［4］、氣動(dòng)噪聲［5］和機(jī)艙熱管理［6-7］等問(wèn)題。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)和汽車(chē)動(dòng)力學(xué)實(shí)現(xiàn)了良好的融合，高速行駛時(shí)汽車(chē)側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的研究取得了快速的發(fā)展。吉林大學(xué)傅立敏等［8-9］采用橫擺模型法對(duì)多個(gè)側(cè)風(fēng)強(qiáng)度下轎車(chē)的氣動(dòng)特性和尾渦形狀進(jìn)行了比較。任琳琳［10］通過(guò)CFD數(shù)值模擬，研究了重型商用車(chē)在不同非穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)工況下流場(chǎng)的瞬態(tài)變化情況，得到了車(chē)輛隨側(cè)風(fēng)變化的氣動(dòng)力系數(shù)，分析了車(chē)身周?chē)鲌?chǎng)的變化規(guī)律。Cooper和Watkins［11-12］探討了非穩(wěn)態(tài)的湍流側(cè)風(fēng)環(huán)境對(duì)汽車(chē)氣動(dòng)特性的影響，分析了不同湍流特性之間的差別。上述研究對(duì)側(cè)風(fēng)條件下的汽車(chē)氣動(dòng)特性進(jìn)行了深入的探討，但對(duì)側(cè)風(fēng)條件下汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性則未涉及。

影響汽車(chē)側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的因素有很多，除了側(cè)風(fēng)速度大小、汽車(chē)的外形結(jié)構(gòu)和質(zhì)心位置以外，還有車(chē)輛的懸架特性和輪胎特性等因素［13］。一些研究采用風(fēng)壓中心的概念簡(jiǎn)化氣動(dòng)載荷對(duì)側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的影響，給出風(fēng)壓中心相對(duì)于質(zhì)心的位置或風(fēng)壓中心隨時(shí)間的變化曲線［14-15］，研究動(dòng)力學(xué)模型響應(yīng)的變化規(guī)律，并針對(duì)性地提出讓側(cè)風(fēng)風(fēng)壓中心盡量靠后的措施［16-17］。但在工程實(shí)際中汽車(chē)的風(fēng)壓中心無(wú)法測(cè)量，不易應(yīng)用到數(shù)值計(jì)算。李杰［18］和張義花［19］等基于TruckSim軟件對(duì)某國(guó)產(chǎn)載貨汽車(chē)和雙掛汽車(chē)列車(chē)的側(cè)風(fēng)行駛穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真，分析汽車(chē)在不同工況下的操縱穩(wěn)定性。湖南大學(xué)董光平和谷正氣［20］等人利用ADAMS軟件建立了重型牽引車(chē)的多體動(dòng)力學(xué)模型，分析了側(cè)風(fēng)干擾下高速行駛的重型半掛牽引車(chē)的側(cè)偏特性，并以導(dǎo)流罩為目標(biāo)，基于代理模型和遺傳算法，對(duì)導(dǎo)流罩進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。廣汽集團(tuán)楊建國(guó)［21］采用Star ccm＋和ADAMSCar計(jì)算了車(chē)身表面的氣動(dòng)六分力并轉(zhuǎn)化為側(cè)風(fēng)工況下的連續(xù)氣動(dòng)載荷，比較了六分力載荷和二分力載荷對(duì)側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

這些研究通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)仿真的方法對(duì)整車(chē)在不同側(cè)風(fēng)條件下的操縱穩(wěn)定性進(jìn)行了定量分析，但仍缺乏相關(guān)的實(shí)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證，不足以指導(dǎo)新產(chǎn)品側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)與研發(fā)。

1 側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的研究路線

側(cè)風(fēng)嚴(yán)重破壞了車(chē)輛左右兩側(cè)流場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性，導(dǎo)致汽車(chē)兩側(cè)的壓力分布差異很大，出現(xiàn)壓力差，使得汽車(chē)受到側(cè)向力和橫擺力矩的作用。由于輪胎有側(cè)向彈性，懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)存在間隙，汽車(chē)會(huì)偏離原行駛方向。當(dāng)速度過(guò)高時(shí)，不僅導(dǎo)致氣動(dòng)力增大，同時(shí)側(cè)偏位移和橫擺角速度也會(huì)增加，給駕駛員帶來(lái)車(chē)輛跑偏、車(chē)身不穩(wěn)的感覺(jué)。當(dāng)側(cè)風(fēng)的頻率較低時(shí)，駕駛員尚能采取措施，保持汽車(chē)的行駛軌跡。當(dāng)側(cè)風(fēng)的頻率高于2 Hz時(shí)［22］，駕駛員無(wú)法采取有效措施克服側(cè)風(fēng)的影響，極易干擾駕駛員的情緒，車(chē)輛存在侵入臨近車(chē)道的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的研究路線

如圖1所示，本文的研究采用CFD方法對(duì)汽車(chē)在正常道路上行駛時(shí)側(cè)風(fēng)作用下汽車(chē)的氣動(dòng)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。利用風(fēng)洞試驗(yàn)得到車(chē)輛的氣動(dòng)力來(lái)驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的正確性。再將數(shù)值模擬得到的氣動(dòng)六分力系數(shù)加載到動(dòng)力學(xué)模型中，進(jìn)行車(chē)輛的操縱穩(wěn)定性分析，求解橫擺角速度和側(cè)偏位移。最后采用主觀評(píng)價(jià)的方法比較側(cè)風(fēng)下汽車(chē)穩(wěn)定性的優(yōu)劣，并根據(jù)主觀評(píng)價(jià)結(jié)果，結(jié)合仿真得到的側(cè)偏位移和橫擺角速度，來(lái)預(yù)測(cè)汽車(chē)的側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性，指導(dǎo)新車(chē)型的側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性開(kāi)發(fā)。

2 側(cè)風(fēng)作用下的氣動(dòng)力計(jì)算

2.1 整車(chē)外流場(chǎng)仿真模型的建立

采用三維建模軟件CATIA建立了1∶1實(shí)車(chē)模型，如圖2所示。為提高仿真的準(zhǔn)確性，該模型包含格柵、機(jī)艙、下車(chē)體、機(jī)艙零部件和底部氣動(dòng)附件等影響外流場(chǎng)的零部件。由于側(cè)風(fēng)作用下的汽車(chē)流場(chǎng)對(duì)汽車(chē)中心面（y＝0截面）已不對(duì)稱(chēng)，故分析中對(duì)整車(chē)模型進(jìn)行仿真。計(jì)算域采用長(zhǎng)方體，長(zhǎng)寬高分別為15L，15W和5H，車(chē)頭前部為4L，車(chē)尾后部10L，迎風(fēng)側(cè)面4W，背風(fēng)側(cè)面10W，其中L為車(chē)長(zhǎng)，W為車(chē)寬，H為車(chē)高。

圖2 計(jì)算域尺寸示意圖

在Hypermesh中對(duì)模型表面進(jìn)行幾何清理，劃分面網(wǎng)格。導(dǎo)入Star ccm＋，建立多層加密盒，加密盒的尺寸由內(nèi)到外逐漸遞增，生成Trim體網(wǎng)格，并在車(chē)身表面劃分邊界層以準(zhǔn)確模擬車(chē)身附面層。為滿足壁面函數(shù)的要求，邊界層為2層，y＋值為30～120，最終生成的整車(chē)體網(wǎng)格約4 000萬(wàn)個(gè)，如圖3所示。

目前常用的穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)數(shù)值模擬方法有橫擺模型法、引入側(cè)風(fēng)法和合成速度法。合成速度法設(shè)置速度入口的大小和方向，在體網(wǎng)格的處理上具有省時(shí)省力的優(yōu)越性，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)一致且誤差較?。?3］，故本文中采用合成速度法，汽車(chē)迎風(fēng)側(cè)相對(duì)的邊界為計(jì)算域的入口，背風(fēng)側(cè)相對(duì)的邊界為計(jì)算域的出口，其中入口邊界設(shè)置為速度，出口設(shè)置為壓力，如圖4所示。

圖3 整車(chē)外流場(chǎng)仿真模型體網(wǎng)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(dòng)壁面，并參考車(chē)速設(shè)定相應(yīng)速度，計(jì)算域的頂部設(shè)置為free slip壁面，車(chē)輛表面設(shè)置為no slip壁面，散熱器、中冷器和冷凝器芯體采用多孔介質(zhì)模擬，各邊界具體設(shè)置如表1所示。

表1 計(jì)算域邊界條件設(shè)置

空氣密度和黏度均采用默認(rèn)值，即溫度為25℃時(shí)空氣的物性參數(shù)。計(jì)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(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；YM為可壓縮湍流耗散率受到脈動(dòng)膨脹的比例因子；C1ε，C2ε和 C3ε為工程經(jīng)驗(yàn)值；σk和σε分別為對(duì)應(yīng)湍動(dòng)能k和耗散率ε的普朗特?cái)?shù)；Sk和 Sε為自定義項(xiàng)。

車(chē)輛行駛速度為60，80，100 km／h，側(cè)風(fēng)速度為40，60，80 km／h，組合成 9個(gè)工況，如表 2所示。

表2 側(cè)風(fēng)與車(chē)速組合方案

2.3 外流場(chǎng)仿真數(shù)值結(jié)果的驗(yàn)證

汽車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)地面交通工具風(fēng)洞中心進(jìn)行，通過(guò)側(cè)風(fēng)發(fā)生器調(diào)節(jié)側(cè)風(fēng)的強(qiáng)度，配備有專(zhuān)門(mén)的六分力浮框式應(yīng)變天平、表面壓力測(cè)量系統(tǒng)、轉(zhuǎn)盤(pán)系統(tǒng)和PIV試驗(yàn)測(cè)量設(shè)備等（見(jiàn)圖5）。因?yàn)榉抡婀r中側(cè)風(fēng)過(guò)大，風(fēng)洞試驗(yàn)中難以模擬該工況，本文中風(fēng)洞試驗(yàn)僅以航偏角為10°和20°的兩個(gè)工況對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證工況的速度邊界如表3所示。

因汽車(chē)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(diǎn)簡(jiǎn)化，得到作用于該點(diǎn)的等效力和力矩，為便于動(dòng)力學(xué)分析，將氣動(dòng)力向質(zhì)心簡(jiǎn)化，如圖6所示。

圖5 風(fēng)洞試驗(yàn)

表3 仿真模型驗(yàn)證工況

圖6 氣動(dòng)力簡(jiǎn)化

按照上述簡(jiǎn)化原則，以某車(chē)型A為例，對(duì)仿真和風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，經(jīng)與試驗(yàn)對(duì)標(biāo)，上述兩個(gè)工況的仿真誤差基本上在5%以內(nèi)，證明該CFD仿真網(wǎng)格的處理、湍流模型的選擇和邊界條件的設(shè)置能滿足工程要求，詳細(xì)結(jié)果如表4所示。

2.4 氣動(dòng)六分力的計(jì)算結(jié)果

基于上述驗(yàn)證后的仿真模型，按照表2所示的側(cè)風(fēng)工況，開(kāi)展各工況下的氣動(dòng)六分力穩(wěn)態(tài)仿真，最終求得的各質(zhì)心點(diǎn)的氣動(dòng)力如圖7所示，氣動(dòng)力矩如圖8所示。

氣動(dòng)六分力與車(chē)速、側(cè)風(fēng)速度均呈正相關(guān)關(guān)系。同一車(chē)速下（如工況1～3、工況4～6或工況7～9），氣動(dòng)六分力的絕對(duì)值均隨側(cè)風(fēng)速度的升高而增大。同一風(fēng)速下（如工況 1，4，7、工況 2，5，8或工況 3，6，9），氣動(dòng)六分力的絕對(duì)值隨著車(chē)速的升高而增大。橫擺力矩和側(cè)向力對(duì)側(cè)風(fēng)的變化較為敏感，在車(chē)速100 km／h，側(cè)風(fēng) 80 km／h工況下，側(cè)向力高達(dá)2 342 N，橫擺力矩達(dá)-955 N·m，高速運(yùn)動(dòng)的汽車(chē)受到側(cè)風(fēng)的影響較大，氣動(dòng)側(cè)向力會(huì)加劇汽車(chē)的側(cè)偏，使汽車(chē)偏離原來(lái)的行駛軌跡，氣動(dòng)橫擺力矩則會(huì)使汽車(chē)產(chǎn)生橫擺角速度，兩者都會(huì)嚴(yán)重影響汽車(chē)的行駛穩(wěn)定性。大量研究表明，汽車(chē)發(fā)生的最大側(cè)向位移與橫擺角速度幾乎呈線性關(guān)系。側(cè)向力和橫擺力矩對(duì)汽車(chē)側(cè)偏的效果一致，均使車(chē)輛向同一側(cè)偏移。

表4 車(chē)型A的CFD仿真與試驗(yàn)結(jié)果比較

圖7 不同側(cè)風(fēng)工況下車(chē)型A氣動(dòng)力

圖8 不同側(cè)風(fēng)工況下車(chē)型A氣動(dòng)力矩

2.5 風(fēng)壓中心的位置

當(dāng)前研究車(chē)型的氣動(dòng)六分力包括在質(zhì)心處的氣動(dòng)阻力 Fx、側(cè)向力 Fy、氣動(dòng)升力 Fz、側(cè)傾力矩 Mx、俯仰力矩My和橫擺力矩Mz。以質(zhì)心作為參考坐標(biāo)原點(diǎn)（0，0，0），坐標(biāo)系方向與整車(chē)坐標(biāo)系一致，假設(shè)風(fēng)壓中心在參考坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為（x，y，z），此點(diǎn)的3個(gè)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(wú)解。更直觀的如圖9所示，無(wú)法找到一個(gè)點(diǎn)（x，y，z）使得上述方程成立，即找不到3個(gè)力矩Mx，My，Mz均為0的點(diǎn)。

圖9 求風(fēng)壓中心的示意圖

為使上述方程組有解，僅考慮側(cè)向力Fy對(duì)風(fēng)壓中心的影響，并假設(shè)風(fēng)壓中心在整車(chē)縱向?qū)ΨQ(chēng)面上。風(fēng)壓中心與質(zhì)心的水平距離可由式（6）算得：

風(fēng)壓中心與質(zhì)心的水平位置如圖10所示，坐標(biāo)軸與整車(chē)坐標(biāo)系一致，負(fù)值代表風(fēng)壓中心在質(zhì)心之前。不同工況下，隨著車(chē)速和側(cè)風(fēng)速度的增大，側(cè)向力Fy和橫擺力矩Mz的值越大。風(fēng)壓中心離質(zhì)心最近的點(diǎn)出現(xiàn)在車(chē)速較低、側(cè)風(fēng)速度較大時(shí)（工況3）。由于風(fēng)壓中心位置隨工況的變化沒(méi)有明顯的規(guī)律，無(wú)法反映側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性優(yōu)劣，故須將氣動(dòng)六分力加載到動(dòng)力學(xué)模型上進(jìn)行受側(cè)風(fēng)后的響應(yīng)分析。

圖10 風(fēng)壓中心與質(zhì)心的水平距離

3 側(cè)風(fēng)作用下的行駛穩(wěn)定性響應(yīng)

3.1 側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性主客觀聯(lián)合評(píng)價(jià)

車(chē)輛在側(cè)風(fēng)作用下在順風(fēng)方向的偏移距離稱(chēng)為側(cè)偏位移（如圖11所示），是評(píng)價(jià)汽車(chē)在側(cè)風(fēng)下操縱穩(wěn)定性的主要參數(shù)，汽車(chē)的橫擺角速度則是評(píng)價(jià)車(chē)輛側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的另一個(gè)主要的指標(biāo)。

圖11 受到側(cè)風(fēng)后汽車(chē)偏移示意圖

受側(cè)風(fēng)試驗(yàn)場(chǎng)地的限制，如何在試驗(yàn)中直接測(cè)量上述指標(biāo)，以及如何合理設(shè)定客觀指標(biāo)的目標(biāo)值，用于指導(dǎo)車(chē)型前期的設(shè)計(jì)，是車(chē)型開(kāi)發(fā)中比較困難的課題。本文中采用主觀評(píng)價(jià)與客觀評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法，請(qǐng)主觀評(píng)價(jià)團(tuán)隊(duì)在廣深沿江高速、隧道出入口等存在較強(qiáng)側(cè)風(fēng)的環(huán)境中，對(duì)車(chē)型A和車(chē)型B開(kāi)展實(shí)車(chē)側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性主觀駕評(píng)，按照十點(diǎn)評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)駕評(píng)結(jié)果，各評(píng)價(jià)等級(jí)及評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表5所示。

表5 十點(diǎn)評(píng)價(jià)法評(píng)價(jià)等級(jí)和評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系

試驗(yàn)的主觀駕評(píng)員為廣汽研究院試驗(yàn)部主觀駕評(píng)團(tuán)隊(duì)成員，且在駕評(píng)前須對(duì)主觀駕評(píng)員進(jìn)行培訓(xùn)以熟悉試驗(yàn)流程，同時(shí)要求同一臺(tái)車(chē)至少經(jīng)過(guò)3名駕評(píng)員的測(cè)評(píng)，以提高駕評(píng)結(jié)果的可信度。經(jīng)過(guò)多輪試驗(yàn)后，最終確定車(chē)型A（SUV）和車(chē)型B（三廂轎車(chē)）的側(cè)風(fēng)主觀駕評(píng)結(jié)果為“良好”和“略好”，并以這兩款車(chē)型作為基準(zhǔn)，開(kāi)展動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到側(cè)偏位移和橫擺角速度參數(shù)，作為新開(kāi)發(fā)車(chē)型的側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.2 動(dòng)力學(xué)響應(yīng)計(jì)算

當(dāng)受到側(cè)風(fēng)作用后，若車(chē)輛行駛發(fā)生較大變化，駕駛員通常會(huì)在1 s內(nèi)操縱轉(zhuǎn)向盤(pán)，修正車(chē)輛行駛軌跡。忽略橫擺角變化引起的氣動(dòng)力變化，即分析中認(rèn)為氣動(dòng)力恒定不變，故通過(guò)分析恒定側(cè)風(fēng)持續(xù)作用下的車(chē)輛響應(yīng)模擬車(chē)輛的側(cè)風(fēng)響應(yīng)。

本文中對(duì)于前期主觀評(píng)價(jià)的車(chē)型A、車(chē)型B，通過(guò)CFD仿真得到了氣動(dòng)六分力的結(jié)果后，基于多體動(dòng)力學(xué)方法，在ADAMSCar模塊中建立包含前后懸架子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)、前后橫向穩(wěn)定桿子系統(tǒng)和車(chē)身子系統(tǒng)等的整車(chē)模型（見(jiàn)圖12）。分析中設(shè)定轉(zhuǎn)向盤(pán)轉(zhuǎn)角始終保持為0°±1°，采取開(kāi)環(huán)控制即駕駛員未就突遇的側(cè)風(fēng)采取對(duì)應(yīng)的操作措施，模擬側(cè)風(fēng)持續(xù)作用10 s的行駛情況。廣汽自主品牌車(chē)輛上的ESP傳感器采用方向轉(zhuǎn)角傳感器和橫擺角速度傳感器等信號(hào)發(fā)出ESP請(qǐng)求，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)降轉(zhuǎn)矩，并對(duì)某一個(gè)或幾個(gè)車(chē)輪的制動(dòng)，產(chǎn)生橫擺力矩來(lái)修正側(cè)風(fēng)引起的車(chē)輛偏斜，進(jìn)行側(cè)風(fēng)補(bǔ)償。因此重點(diǎn)通過(guò)側(cè)風(fēng)作用0.5 s內(nèi)的側(cè)偏位移、橫擺角速度和橫擺角的變化量來(lái)評(píng)估其側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性。車(chē)型A經(jīng)過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真求解后，動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的結(jié)果如表6所示。

圖12 整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型

表6 不同工況下車(chē)型A橫擺角速度和側(cè)偏位移

對(duì)于車(chē)型A，車(chē)速相同時(shí)，隨著側(cè)風(fēng)的增強(qiáng)，最大橫擺角速度和0.5 s時(shí)的側(cè)偏位移逐漸增大；側(cè)風(fēng)強(qiáng)度相同時(shí)，隨著車(chē)速的升高，橫擺角速度和0.5 s時(shí)的側(cè)偏位移也增大。在最極端工況，車(chē)速100 km／h，側(cè)風(fēng)80 km／h時(shí)，側(cè)風(fēng)作用 0.5 s后車(chē)型A的側(cè)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(chē)速或側(cè)風(fēng)速度的升高而增大，在同一側(cè)風(fēng)速度下，降低車(chē)速是減小橫擺角速度的有效手段，如在側(cè)風(fēng)速度80和40 km／h時(shí)將車(chē)速?gòu)?00降低至60 km／h，橫擺角的變化量分別減小了58.95%和54.39%。車(chē)速對(duì)側(cè)傾角最大變化量影響較小，同一側(cè)風(fēng)速度下基本上處于同一水平。但風(fēng)速對(duì)側(cè)傾角最大變化量的影響較為明顯。

對(duì)于車(chē)型B（外造型見(jiàn)圖13），采用相同的CFD仿真和動(dòng)力學(xué)仿真方法，先計(jì)算受側(cè)風(fēng)時(shí)的車(chē)輛氣動(dòng)特性，再將氣動(dòng)力加載到動(dòng)力學(xué)模型中。為節(jié)省時(shí)間，只分析最嚴(yán)苛的工況（工況9），即車(chē)型B在車(chē)速100 km／h，側(cè)風(fēng)80 km／h時(shí)，模擬側(cè)風(fēng)持續(xù)作用0.5 s時(shí)的最大橫擺角速度和側(cè)偏位移，氣動(dòng)六分力的結(jié)果如表7所示，動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的結(jié)果如表8所示。

圖13 車(chē)型B的外造型

表7 車(chē)型B的氣動(dòng)六分力

表8 車(chē)型B橫擺角速度和側(cè)偏位移

車(chē)型B在工況9下的橫擺力矩仿真結(jié)果為1 385 N·m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于車(chē)型B的955 N·m，此時(shí)，車(chē)型B的風(fēng)壓中心與質(zhì)心的水平距離（845 mm）也較大，大于車(chē)型A的408mm。車(chē)型B對(duì)應(yīng)的側(cè)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(chē)型B受側(cè)風(fēng)后的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)明顯高于車(chē)型A，與前期主觀評(píng)價(jià)結(jié)果相吻合，但兩車(chē)型的側(cè)偏位移均小于發(fā)生側(cè)滑事故的極限位移0.5 m［25］。

通過(guò)車(chē)型A和車(chē)型B的仿真分析和主觀評(píng)價(jià)，得到的結(jié)果對(duì)以后新車(chē)型在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的開(kāi)發(fā)提供了良好的參考。為使新車(chē)型具有良好的側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性，車(chē)速100 km／h和風(fēng)速80 km／h工況下的最大橫擺角速度和0.5 s后的側(cè)偏位移最好能分別小于3°／s和 280 mm。

4 結(jié)論

汽車(chē)遭遇較強(qiáng)側(cè)風(fēng)時(shí)易駛偏并侵入臨近車(chē)道，影響汽車(chē)的安全駕駛和操縱穩(wěn)定性。結(jié)合仿真與主觀評(píng)價(jià)方法的研究結(jié)果，得出有關(guān)汽車(chē)側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的結(jié)論如下。

（1）采用數(shù)值模擬方法分析了汽車(chē)的氣動(dòng)特性，得到氣動(dòng)六分力。仿真結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差在5%以內(nèi)。在滿足工程需求的前提下，將CFD仿真結(jié)果導(dǎo)入汽車(chē)動(dòng)力學(xué)模型中，進(jìn)行側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性仿真，分析持續(xù)側(cè)風(fēng)作用下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。以側(cè)偏位移和橫擺角速度作為側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，車(chē)型A和車(chē)型B在車(chē)速100 km／h和側(cè)風(fēng)速度80 km／h的工況下，最大橫擺角速度和受側(cè)風(fēng)0.5 s側(cè)偏位移仿真結(jié)果分別為 2.69°／s，265 mm和3.79°／s，374 mm。

（2）對(duì)車(chē)型A和車(chē)型B進(jìn)行主觀駕評(píng)，評(píng)估側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的主觀體驗(yàn)，結(jié)果分別為“良好”和“略好”。

（3）將典型車(chē)型的仿真結(jié)果作為后續(xù)新車(chē)型開(kāi)發(fā)的參考目標(biāo)，以指導(dǎo)新車(chē)型的側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性開(kāi)發(fā)。為使新車(chē)型項(xiàng)目具有良好的側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性，車(chē)速100 km／h和風(fēng)速80 km／h的工況下最大橫擺角速度和0.5 s側(cè)偏位移的仿真結(jié)果最好分別小于3°／s和280 mm。