側(cè)風(fēng)角度對汽車穩(wěn)定性的影響研究

楊列宸 袁志群 秦利燕 呂恒慶

摘 要：針對以往大多數(shù)研究中采用90°側(cè)風(fēng)進(jìn)行研究這一問題，通過CFD軟件對不同側(cè)風(fēng)角度下的汽車穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。采用風(fēng)洞試驗(yàn)的方法對仿真試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，通過對比，發(fā)現(xiàn)仿真得到的數(shù)值與風(fēng)洞試驗(yàn)的數(shù)值差值在5%以內(nèi)，說明了仿真模擬的合理性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，汽車在側(cè)風(fēng)環(huán)境下的側(cè)向位移量與汽車質(zhì)心的速度和所受到的側(cè)向力共同影響，總體趨勢是，側(cè)向位移量首先會隨著側(cè)風(fēng)角度的增大而逐漸增大，在某個角度取得最大值，然后再逐漸減小。

關(guān)鍵詞：汽車穩(wěn)定性;側(cè)風(fēng)角度;CFD

中圖分類號：U467 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）09-206-03

Study on the Influence of Crosswind Angle on Vehicle Stability

Yang?Liechen， Yuan Zhiqun， Qin Liyan， Lu Hengqing

（Xiamen Institute of Technology， Fujian?Xiamen?361024）

Abstract：?In view of the previous research on 90° crosswind in most studies， the stability of vehicles under different crosswind angles was studied by CFD software. The simulation test was verified by the method of wind tunnel test. By comparison， it was found that the numerical difference between the numerical value obtained by the simulation and the wind tunnel test was within 5%， which indicated the rationality of the simulation. It was found that the lateral displacement of the car in the crosswind environment is affected by the speed of the car's center of mass and the lateral force received. The overall trend is that the lateral displacement will first increase as the crosswind angle increases. Get the maximum at an angle and then gradually decrease.

Keywords： Vehicle stability; Crosswind angle; CFD

CLC NO.： U467 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）09-206-03

1 引言

汽車側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性這個問題的提出，是因?yàn)樵?935年的一場賽車比賽中，當(dāng)時(shí)德國的一位賽車手在比賽中，由于受到了強(qiáng)烈的側(cè)風(fēng)影響，導(dǎo)致駕駛的賽車失去了控制，最后他本人撞到了大樹而受重傷去世 ^[1]。從那時(shí)開始，學(xué)者們意識到了側(cè)風(fēng)對汽車的影響，開始進(jìn)行研究汽車的側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性。上世紀(jì)，德國的卡姆教授于斯圖加特 ^[2]創(chuàng)建了著名的車輛科學(xué)與發(fā)動機(jī)研究所，并首次進(jìn)行了汽車穩(wěn)定性和直線行駛能力的研究。進(jìn)入21世紀(jì)，我國國內(nèi)開始使用實(shí)車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室開展研究。風(fēng)洞試驗(yàn)可以進(jìn)行多次試驗(yàn)，重復(fù)性比較高而且試驗(yàn)結(jié)果也很準(zhǔn)確，但是另一方面風(fēng)洞試驗(yàn)也有成本高、時(shí)間長等缺點(diǎn)，由此，伴隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，很好的補(bǔ)足了這一缺點(diǎn)，也為汽車的氣動研究提供了很好的技術(shù)手段。

在以往的大多數(shù)研究中，很多學(xué)者默認(rèn)的將側(cè)風(fēng)角度設(shè)為90°，認(rèn)為側(cè)風(fēng)垂直作用于汽車側(cè)面會是最危險(xiǎn)的工況。但是自然界中側(cè)風(fēng)的來向是不固定的，所以說，直接使用90°的側(cè)風(fēng)角度進(jìn)行研究是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹ａ槍@一問題，本文將對側(cè)風(fēng)角度對行車的安全性進(jìn)行研究。

2 計(jì)算域及計(jì)算模型

2.1 汽車模型

本論文的模型采用的是1：1的Mira階梯背式標(biāo)準(zhǔn)模型，如下圖1所示。Mira標(biāo)準(zhǔn)汽車模型是現(xiàn)在業(yè)界研究汽車整車外流場最為理想化的簡化模型，該模型在全球范圍內(nèi)也被廣大學(xué)者廣泛的使用，有大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行研究參考和對照，這樣有助于對仿真的驗(yàn)證和對試驗(yàn)的修正。

2.2?計(jì)算域及計(jì)算方案

選擇合理的計(jì)算域和計(jì)算網(wǎng)格尺寸對計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性尤為重要。由于前面選用了重疊網(wǎng)格的計(jì)算方案，車體在計(jì)算域中處于不斷前進(jìn)的狀態(tài)，因此，對于計(jì)算域相對其他方案較長，結(jié)合《乘用車空氣動力學(xué)仿真技術(shù)規(guī)范》的計(jì)算域要求，得到計(jì)算域的尺寸具體如下表1：

根據(jù)要求，本文對從域的尺寸進(jìn)行了設(shè)置，具體為：從域前部距離車頭0.5倍車長，從域后部距離車尾1.5倍車長，從域上部距離車頂2倍車高，從域左右兩側(cè)距離車體各1倍車寬。

2.3?計(jì)算網(wǎng)格

車體附近的氣流受車體的影響會產(chǎn)生速度梯度，設(shè)置3級體網(wǎng)格加密區(qū)，為了保證計(jì)算資源的合理性，參考計(jì)算的硬件屬性，對網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行了一定的控制，設(shè)置的加密區(qū)網(wǎng)格尺寸分別為64mm、128mm及256mm的加密域控制。具體的加密區(qū)如下圖2所示：

通過查閱文獻(xiàn)，通常學(xué)者對于采用大渦模擬，Y+一般取1。因此，對于本文，為保證此條件，第一層附面層尺寸大小取0.1mm，增長率為1.2，一共生成14層，最終總厚度為6mm。最終的體網(wǎng)格數(shù)量為1037萬。

3 仿真模擬結(jié)果分析

3.1 仿真與實(shí)驗(yàn)比對

為了證明仿真模擬的合理性，選取無側(cè)風(fēng)時(shí)仿真模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)的氣動力進(jìn)行對比。

仿真得到的三個力系數(shù)的誤差范圍均在5%以內(nèi)，符合要求，說明仿真現(xiàn)在對于研究有很大的幫助，計(jì)算結(jié)果也能夠保證比較精確。

3.2 氣動六分力變化趨勢

阻力系數(shù)在前期隨著側(cè)風(fēng)角度的增大而逐漸增大，在70°時(shí)取得最大值;側(cè)力系數(shù)和升力系數(shù)隨著側(cè)風(fēng)角度的增大而不斷增大，可以看出，側(cè)風(fēng)對側(cè)向力和升力的影響比較大，兩者會在側(cè)風(fēng)角度較大時(shí)值也相對較大;側(cè)傾力矩系數(shù)也是隨著側(cè)風(fēng)角度的增大而不斷增大;橫擺力矩系數(shù)則是在側(cè)風(fēng)角度50°之前逐漸增大，隨后不斷減小;相對而言，俯仰力矩系數(shù)的變化就顯得比較雜亂，在沒有側(cè)風(fēng)的作用時(shí)，其取值為正值，在側(cè)風(fēng)作用時(shí)，其取值為負(fù)值，相當(dāng)于側(cè)風(fēng)的作用改變俯仰力矩的作用方向，在側(cè)風(fēng)角度5°-35°的范圍內(nèi)，俯仰力矩系數(shù)不斷減小，在35°-65°之間不斷增大，在65°之后又逐漸減小，變化比較復(fù)雜。

3.3 側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性評價(jià)

結(jié)合本文工況，研究發(fā)現(xiàn)，在車體駛?cè)雮?cè)風(fēng)帶和駛出側(cè)風(fēng)帶時(shí)，車體所受到的氣動力為線性函數(shù)，類似于線性階躍。當(dāng)車體完全處于側(cè)分帶時(shí)，其所收到的氣動力為定值。本文Mira階梯背標(biāo)準(zhǔn)模型的車長為4162.8mm，側(cè)向風(fēng)速為90km/h，汽車以100km/h的車速進(jìn)入6m的側(cè)風(fēng)帶，在2S內(nèi)所受到的氣動力如下表達(dá)式（以0°時(shí)的阻力為例）：

（1）0

（2）0.15

（3）0.36

根據(jù)上述的公式，在軟件中編輯出此側(cè)風(fēng)模型如下圖3所示：

將計(jì)算得到的氣動六分力輸入到軟件中，仿真得到不同側(cè)風(fēng)角度下的側(cè)向位移對比。

在50°側(cè)風(fēng)角度下，側(cè)向位移量最大，為1192mm。汽車在受到瞬時(shí)性急風(fēng)作用運(yùn)動時(shí)，其側(cè)向位移量和車身的橫擺角與質(zhì)心的速度和側(cè)向力的大小這兩個外界因素有關(guān)。因此，對比上面?zhèn)蕊L(fēng)0°-90°的工況，汽車的模型都是相同的，所示有關(guān)系數(shù)值都是相同的，所以，在此工況下，汽車質(zhì)心點(diǎn)的速度與其所受到的側(cè)向的乘積在50°時(shí)取得最大值，因此上面仿真得到的最大側(cè)向位移為側(cè)風(fēng)角度50°時(shí)。

4?結(jié)論

利用仿真的方法將汽車系統(tǒng)動力學(xué)和空氣動力學(xué)結(jié)合起來，更加具體的驗(yàn)證了側(cè)風(fēng)角度對行車安全的影響。研究發(fā)現(xiàn)，并非90°側(cè)風(fēng)下汽車是最危險(xiǎn)。而汽車在側(cè)風(fēng)環(huán)境下的側(cè)向位移與質(zhì)心點(diǎn)的速度和側(cè)風(fēng)力的大小兩者共同影響。綜合來看，隨著側(cè)風(fēng)角度的增大，汽車在側(cè)風(fēng)環(huán)境下的側(cè)向位移呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。而如果需要研究極限工況下的行車安全性，需要根據(jù)不同的車型和工況來確定具體的側(cè)風(fēng)角度。

參考文獻(xiàn)

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