劉學(xué)龍 袁海東 李景

（1.天津大學(xué)，天津300072；2.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津300300）

主題詞：空氣動力學(xué) 側(cè)風(fēng) 計算流體力學(xué)

1 前言

汽車在高速行駛過程中遇到側(cè)風(fēng)干擾時，在側(cè)向氣動力作用下，高速行駛的汽車很容易發(fā)生側(cè)滑、橫擺，甚至側(cè)翻等失穩(wěn)現(xiàn)象，進而影響行車安全。統(tǒng)計顯示，每年發(fā)生的交通事故中有相當(dāng)?shù)谋壤歉咚俟r下汽車受環(huán)境風(fēng)影響造成的，所以研究汽車側(cè)風(fēng)響應(yīng)特性具有十分重要的意義。

目前，針對汽車側(cè)風(fēng)響應(yīng)的研究，主要有道路試驗、風(fēng)洞試驗和數(shù)值仿真3種手段[1]。風(fēng)洞試驗具有一定的局限性，無法直接考慮汽車在側(cè)風(fēng)作用下的側(cè)滑橫擺運動和該運動對汽車周圍流場的影響。針對車輛側(cè)風(fēng)響應(yīng)的仿真方法，目前有單向耦合和雙向耦合方法[2]，其中單向耦合方法忽略了車輛姿態(tài)變化對氣動載荷的影響，與車輛實際受力過程存在本質(zhì)上的差異。

國外整車企業(yè)已針對其量產(chǎn)車型進行了大量側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性研究，有專門的側(cè)風(fēng)試驗場，通過開展側(cè)風(fēng)對駕駛員及車輛操縱穩(wěn)定性影響的研究，建立側(cè)風(fēng)響應(yīng)的仿真和測試規(guī)范，并將該研究應(yīng)用到車型開發(fā)中。我國目前沒有專門的汽車側(cè)風(fēng)試驗場，除部分高校進行過小規(guī)模簡單汽車模型的仿真研究外，整車企業(yè)對量產(chǎn)車型的側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性研究幾乎空白，測試場地和標(biāo)準(zhǔn)缺失。一些研究采用風(fēng)壓中心的概念簡化氣動載荷對側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的影響，通過分析風(fēng)壓中心相對于質(zhì)心位置的變化[3-4]，研究動力學(xué)模型響應(yīng)的變化規(guī)律，并提出使側(cè)風(fēng)風(fēng)壓中心盡量靠后的措施[5-6]。但在工程實際中，汽車的風(fēng)壓中心無法測量，不易應(yīng)用于數(shù)值計算。廣汽[7]針對高速公路、隧道出入口等實車道路環(huán)境進行主觀評價試驗研究，但該方法受道路及環(huán)境條件的影響，可重復(fù)性較低，使得研究側(cè)風(fēng)響應(yīng)規(guī)律的難度大幅提高。

本文旨在通過虛擬仿真和試驗的方法研究車輛側(cè)風(fēng)條件下的動態(tài)響應(yīng)特性，通過實車道路測試研究不同條件下車輛側(cè)風(fēng)響應(yīng)的規(guī)律，并驗證仿真方法的有效性，通過建立流體力學(xué)-系統(tǒng)動力學(xué)雙向耦合仿真方法實現(xiàn)車輛側(cè)風(fēng)響應(yīng)的預(yù)測，并研究氣動布局對側(cè)風(fēng)響應(yīng)的影響。

2 側(cè)風(fēng)響應(yīng)試驗方法

在西班牙IDIADA實車側(cè)風(fēng)試驗場開展試驗[8]，試驗標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 12021[9]，如圖1所示，該試驗場的側(cè)風(fēng)模擬設(shè)施是由10臺風(fēng)機陣列組成的30.5 m長的側(cè)風(fēng)區(qū)，最大側(cè)風(fēng)風(fēng)速30 m/s，試驗時側(cè)風(fēng)風(fēng)速分別為10 m/s和20 m/s，根據(jù)蒲福風(fēng)級等級設(shè)定，分別相當(dāng)于5級清風(fēng)和8級大風(fēng)的條件，試驗時平均環(huán)境風(fēng)速小于3 m/s。

圖1 側(cè)風(fēng)響應(yīng)道路試驗設(shè)施

試驗時，車輛在進入側(cè)風(fēng)區(qū)前保持直線行駛，進入側(cè)風(fēng)區(qū)域后車輛將受到側(cè)風(fēng)的影響發(fā)生偏離。本研究中，未考慮駕駛員響應(yīng)對于車輛側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的影響，即在車輛行駛過程中鎖定轉(zhuǎn)向盤，且在通過側(cè)風(fēng)區(qū)域時不對轉(zhuǎn)向盤施加任何修正，該測試方法即為側(cè)風(fēng)響應(yīng)的開環(huán)測試方法[10-11]，如圖2所示。

圖2 實車側(cè)風(fēng)響應(yīng)測試示意

本文旨在研究側(cè)風(fēng)條件下氣動力的變化及其對車輛動態(tài)響應(yīng)的影響，通過測量距離側(cè)風(fēng)區(qū)域30 m 位置的側(cè)向位移和偏航角來評估其側(cè)風(fēng)響應(yīng)，側(cè)風(fēng)風(fēng)速輸入為階躍風(fēng)速[12]，如圖3所示。評價車輛側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的主要指標(biāo)包括：側(cè)向位移（Displacement）S，即車輛在側(cè)風(fēng)作用下在順風(fēng)方向的偏移距離；偏航角（Yaw Angle）θ，即汽車繞垂直軸（z軸）的偏轉(zhuǎn)角度，表征汽車的穩(wěn)定程度，方向符合右手定則。

圖3 階躍狀態(tài)側(cè)風(fēng)風(fēng)速

3 側(cè)風(fēng)響應(yīng)仿真方法

研究氣動力對側(cè)風(fēng)響應(yīng)的影響涉及氣動力和車輛系統(tǒng)動力學(xué)的仿真，按照空氣動力學(xué)和系統(tǒng)動力學(xué)的耦合關(guān)系可分為雙向耦合和單向耦合2 種方法。本文采用雙向耦合方法，計算方法如圖4所示，其核心在于實現(xiàn)多物理場實時耦合計算，更真實地模擬實際物理過程，氣動力由計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件計算得到后傳遞給系統(tǒng)動力學(xué)模塊，得到的動力學(xué)參數(shù)再傳遞給CFD軟件，實現(xiàn)汽車在側(cè)風(fēng)作用下的實時仿真。

圖4 側(cè)風(fēng)響應(yīng)仿真方法

3.1 計算邊界條件

本文的研究對象為某SUV 車型，車長l=4.85 m，車寬b=1.8 m，車高h=1.375 m。計算域沿車長方向的延伸距離分別為3倍車長和10倍車長，沿側(cè)向的延伸距離分別為5 倍車寬和15 倍車寬，如圖5所示，沿車高方向的延伸距離為10倍車高。計算域的邊界條件分別為速度入口、壓力出口、無滑移壁面和有滑移壁面，速度入口的速度為利用合成風(fēng)法合成的合速度。

圖5 計算邊界條件

在側(cè)風(fēng)作用下，汽車行駛姿態(tài)發(fā)生變化導(dǎo)致計算域產(chǎn)生動網(wǎng)格邊界問題。為此，本文采用重疊網(wǎng)格方法解決動網(wǎng)格問題。

3.2 計算方法

汽車受到空氣對車身的作用力和力矩，包括在質(zhì)心處的氣動阻力Fx、側(cè)向力Fy、氣動升力Fz、側(cè)傾力矩Mx、俯仰力矩My和橫擺力矩Mz，氣動合力矩為0的點即為風(fēng)壓中心，如圖6所示。

圖6 整車坐標(biāo)系及氣動力示意

本文采用系統(tǒng)動力學(xué)仿真的方法計算車輛側(cè)風(fēng)響應(yīng)，汽車多體動力學(xué)參數(shù)考慮輪胎與懸架的作用，忽略轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，依此建立汽車6 自由度模型，即考慮汽車沿x、y、z方向的移動自由度和繞這3個坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動自由度，車體簡化為質(zhì)心，路面為二維標(biāo)準(zhǔn)路面。為了方便研究汽車的側(cè)風(fēng)響應(yīng)，本文重點考察側(cè)風(fēng)條件下氣動力對側(cè)偏和橫擺自由度的影響，對應(yīng)的動力學(xué)指標(biāo)為側(cè)向加速度、橫擺角速度、側(cè)向位移和橫擺角等[13]，系統(tǒng)動力學(xué)中各力和力矩的作用點為車輛質(zhì)心。

4 側(cè)風(fēng)響應(yīng)仿真與試驗結(jié)果

4.1 試驗結(jié)果

根據(jù)車速和側(cè)風(fēng)速度組合為6個工況，如表1所示。車輛在側(cè)風(fēng)作用下受到氣動力的作用，在行駛過程中發(fā)生偏轉(zhuǎn)和側(cè)移。分析側(cè)風(fēng)區(qū)域內(nèi)的側(cè)向位移發(fā)現(xiàn)，同一側(cè)風(fēng)風(fēng)速下，車速越高，車輛穿越風(fēng)區(qū)時間越短，汽車側(cè)向位移越小。而側(cè)風(fēng)區(qū)域內(nèi)的偏航角則與車速呈現(xiàn)非線性關(guān)系，最大偏航角出現(xiàn)在車速100 km/h的工況下。

表1 不同車速和側(cè)風(fēng)風(fēng)速條件下的試驗結(jié)果（X向位置30 m）

圖7所示為側(cè)風(fēng)風(fēng)速20 m/s時，不同車速下的側(cè)向位移-行駛距離曲線，可以看出，同車速下側(cè)向位移為二次曲線，但車輛在3種速度下的側(cè)向位移并非線性關(guān)系，隨著車速提高，車輛通過完整側(cè)風(fēng)區(qū)的側(cè)向位移逐漸減小。

圖7 側(cè)向位移隨行駛距離的變化曲線

圖8所示為行駛速度為80 km/h、100 km/h、120 km/h時的偏航角-行駛距離對比結(jié)果，偏航角與行駛距離大體呈線性關(guān)系，在車輛駛出側(cè)風(fēng)區(qū)時，100 km/h 工況下的偏航角最大，120 km/h工況下的偏航角最小。

圖8 偏航角隨行駛距離的變化曲線

4.2 仿真與試驗結(jié)果對比分析

4.2.1 側(cè)向位移結(jié)果對比

對比側(cè)風(fēng)風(fēng)速20 m/s時，不同車速工況條件下的側(cè)向位移，結(jié)果如表2所示，由表2可知：80 km/h工況下仿真偏差略大；車速從80 km/h提高至100 km/h，側(cè)向位移試驗值隨車速增大而減小，而仿真值則略有增大，但2種車速下側(cè)向位移仿真和試驗值的變化量均較小（0.01～0.02 m），相對變化量約為4%，小于仿真與試驗偏差，在誤差范圍內(nèi)。此外，分析120 km/h工況下側(cè)向位移變化曲線（80 km/h 和100 km/h 工況下結(jié)果類似），如圖9所示，仿真與試驗隨行駛距離呈現(xiàn)相同的變化趨勢，本研究中所采用的仿真方法能夠用于車輛側(cè)風(fēng)響應(yīng)的預(yù)測。

表2 側(cè)向位移結(jié)果對比

由圖9 可以看出，在整個側(cè)風(fēng)區(qū)內(nèi)，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的曲線趨勢吻合度較高。該仿真能夠準(zhǔn)確預(yù)測側(cè)向位移隨行駛距離的變化。

圖9 120 km/h工況下側(cè)向位移變化曲線

4.2.2 偏航角結(jié)果對比

對比側(cè)風(fēng)風(fēng)速20 m/s，不同車速工況下的偏航角，結(jié)果如圖10和表3所示。

圖10 120 km/h工況下偏航角變化曲線

表3 偏航角θ結(jié)果對比

由圖10 可以看出，車速120 km/h 工況下（80 km/h和100 km/h下結(jié)果類似），在整個側(cè)風(fēng)區(qū)內(nèi)，仿真與試驗的吻合度較高，均呈現(xiàn)隨行駛距離的線性關(guān)系，該方法能夠準(zhǔn)確預(yù)測偏航角隨行駛距離的變化趨勢。

由表3 可知，在80 km/h、100 km/h 和120 km/h 工況下，仿真與試驗的偏差均在5%左右；在車輛駛出側(cè)風(fēng)區(qū)時，100 km/h 工況的偏航角最大，120 km/h 工況的偏航角最小，該結(jié)果與試驗結(jié)論一致。

5 側(cè)風(fēng)響應(yīng)機理分析

5.1 汽車氣動敏感性分析

5.1.1 不同車速下的車身氣動力分布

側(cè)風(fēng)風(fēng)速20 m/s時，車速分別為80 km/h、100 km/h、120 km/h 條件下初始側(cè)向力分別為1 250 N、1 600 N、1 875 N，車身所受側(cè)向力隨車速升高而增大。整車側(cè)向力為迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)所受力的差值，通過分析車身表面壓力可以發(fā)現(xiàn)，隨著車速提高，迎風(fēng)側(cè)壓力分布增加，高壓區(qū)面積逐漸增大，后尾翼處負壓不斷增大。隨著車速提高，背風(fēng)側(cè)壓力分布增加，發(fā)動機罩轉(zhuǎn)折角處負壓增大，并向A柱與前車窗處發(fā)展，如圖11所示。

圖11 不同車速下的車身表面壓力

圖12所示為車速120 km/h，側(cè)風(fēng)風(fēng)速20 m/s條件下總壓系數(shù)為零的等值面，由圖12可以看出，側(cè)風(fēng)條件下能量損失主要來自側(cè)面和底部，側(cè)面流動分離的區(qū)域主要為尾部迎風(fēng)側(cè)，在背風(fēng)側(cè)形成負壓，加之底部氣流變化的影響，是造成整車流場變化的最主要因素。

圖12 總壓為零的等值面

5.1.2 車輛氣動布局對氣動力的影響

根據(jù)上述分析，定車速條件下側(cè)向力是影響車輛產(chǎn)生側(cè)向位移和偏轉(zhuǎn)的主要因素，因此，本文重點針對影響車輛氣動力，特別是側(cè)向力的關(guān)鍵部位制定氣動方案，驗證尾翼、底護板、側(cè)翼等不同方案對整車氣動力的影響。表4所示為不同氣動布局方案的氣動力計算結(jié)果，方案1為基礎(chǔ)方案，其余方案均在方案1的基礎(chǔ)上進行調(diào)整，如表5所示。

表4 氣動力變化

表5 氣動布局方案

通過對比車速120 km/h、側(cè)風(fēng)風(fēng)速20 m/s條件下不同方案對氣動力和風(fēng)壓中心的影響（特別是升力和側(cè)向力）發(fā)現(xiàn)，尾部側(cè)擾流板和底部護板對車輛氣動力的影響最大。作用在汽車上所有氣動力合力矩為0的合力集中點，稱為“汽車空氣力中心”或“汽車空氣動力中心”，簡稱“風(fēng)壓中心”[14-15]。由于風(fēng)壓中心位置無法直接求解，本文采用參考文獻[7]中的方法，僅考慮側(cè)向力Fy對風(fēng)壓中心的影響，并假設(shè)風(fēng)壓中心在整車縱向?qū)ΨQ面上。由此求得風(fēng)壓中心與質(zhì)心的水平位置，如圖13所示。

圖13 風(fēng)壓中心變化

汽車在側(cè)風(fēng)中的行駛穩(wěn)定性對風(fēng)壓中心位置有重要影響。但風(fēng)壓中心位置隨工況的變化沒有明顯的規(guī)律，簡化處理后也僅能得到水平方向上風(fēng)壓中心的變化情況，無法準(zhǔn)確評估其對車輛側(cè)風(fēng)響應(yīng)的影響，故須將氣動六分力加載到動力學(xué)模型上進行側(cè)風(fēng)條件下氣動力對側(cè)風(fēng)的響應(yīng)分析。

5.2 氣動力對側(cè)風(fēng)響應(yīng)的影響分析

分析車速120 km/h、側(cè)風(fēng)風(fēng)速20 m/s條件下整車氣動力影響較大的氣動方案，將方案4和方案5組合形成方案6，進行側(cè)風(fēng)響應(yīng)計算分析，研究定車速條件下氣動力的變化對車輛側(cè)風(fēng)響應(yīng)的影響。

側(cè)向位移和偏航角差值如表6所示。由表6 可知：側(cè)向力增加了8.1%，側(cè)向位移和偏航角分別增加22.2%和26.8%，側(cè)向力是影響側(cè)風(fēng)響應(yīng)的最主要因素。氣動阻力、氣動升力與側(cè)向力的變化趨勢相反，工程實際中對于氣動阻力和氣動升力的優(yōu)化可能導(dǎo)致車輛側(cè)風(fēng)響應(yīng)的惡化。

表6 側(cè)向位移和偏航角差值

圖14、圖15所示分別為2 種氣動方案對側(cè)向位移和偏航角的影響，由圖14、圖15 可以看出，車輛在側(cè)風(fēng)區(qū)域內(nèi)側(cè)向位移和橫擺角隨行駛距離逐漸增大，而影響側(cè)風(fēng)響應(yīng)的氣動敏感區(qū)域為車輛底部和兩側(cè)（側(cè)風(fēng)條件下能量損失主要來源于底部和側(cè)面的流動損失），通過對車輛外形進行優(yōu)化，從而減小側(cè)向力，可顯著改善車輛的側(cè)風(fēng)響應(yīng)特性。

圖14 氣動方案對側(cè)向位移的影響

圖15 氣動方案對偏航角的影響

本文未考慮車輛受到側(cè)風(fēng)時轉(zhuǎn)向、制動等的變化，側(cè)風(fēng)對車輛操穩(wěn)的影響不在本文討論。

6 結(jié)束語

本文主要對車輛側(cè)風(fēng)環(huán)境下氣動力對側(cè)風(fēng)響應(yīng)的影響進行仿真和試驗研究，尋找影響車輛側(cè)風(fēng)響應(yīng)的關(guān)鍵因素。根據(jù)在西班牙IDIADA 試驗場實車側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性試驗結(jié)果分析，同車速下側(cè)向位移-行駛距離曲線為二次曲線，側(cè)向位移隨車速的增大而減小。然后，采用基于側(cè)風(fēng)響應(yīng)雙向耦合仿真方法，將汽車空氣動力學(xué)及動力學(xué)響應(yīng)進行耦合求解，預(yù)測車輛在側(cè)風(fēng)激勵條件下的實時動態(tài)響應(yīng)，側(cè)風(fēng)響應(yīng)動態(tài)過程的模擬趨勢與試驗結(jié)果一致，典型工況條件下的側(cè)風(fēng)響應(yīng)參數(shù)仿真誤差小于5%，該方法能夠滿足車輛在側(cè)風(fēng)激勵下的動力學(xué)響應(yīng)動態(tài)特性預(yù)測的要求。最后，重點研究氣動力對車輛側(cè)風(fēng)動態(tài)響應(yīng)影響的規(guī)律，通過對車輛側(cè)風(fēng)響應(yīng)外形方案進行敏感性分析發(fā)現(xiàn)，氣動阻力、氣動升力與側(cè)向力相矛盾，而側(cè)向力是影響側(cè)風(fēng)響應(yīng)的主要因素，優(yōu)化外形設(shè)計減小側(cè)向力可顯著改善車輛的側(cè)風(fēng)響應(yīng)特性。