汽车进出侧风区域瞬态气动特性与操纵稳定性实时耦合仿真及研究

The aerodynamic forces will changes suddenly when automobile go in and out the crosswind, which affect the handling and stability of cars, even endanger the traffic safety. The object of the project is for the application of dynamic modeling and simulation in the developing type of driving simulator under transient crosswind, and this project will research on simulation and characteristics of automobile go in and out the crosswind coupled with the transient aerodynamic characteristics and handling stability. The main contents of the project are as follows: 1. Based on the dynamic mesh of transient computational fluid simulation to study the automobile aerodynamic characteristics under going in and out the crosswind and verified by wind tunnel tests ; 2. Based on the automotive systems dynamics model of assembly structural parameters, the aerodynamic forces are loaded respectively into sprung mass part and unsrung mass part of the vehicle system dynamics model, so the handling and stability simulation under transient crosswind will be completed ; 3. Appling the comercial CFD and dynamics software, the automotive real-time simulation coupled with aerodynamic characteristics and the handling and stability will be completed both under the open-loop and close-loop condition in the transient crosswind. That will realized the act of the automobile traveling in and out the crosswind ,the transient crosswind correction offsets and driving behaviors will be get. So all about these provide technical support for driver assistance systems for reducing automobile transient crosswind sensitivity.

汽车进出侧风区域气动力会突然变化，影响汽车操纵稳定性，危及行驶安全。项目以面向开发型驾驶模拟器的瞬态侧风作用下动力学建模仿真应用为目标，研究汽车进出侧风区域的瞬态气动特性和操纵稳定性的实时耦合仿真方法及特性。主要研究内容为：1.基于动网格的瞬态计算流体力学数值仿真，研究汽车进出侧风区域的瞬态气动特性变化规律，并辅以风洞试验验证；2.基于结构特性参数的汽车系统动力学模型为基础，将气动力分别以簧载质量部分和非簧载质量部分加载到整车系统动力学模型中，更精确的实现瞬态侧风作用的操纵稳定性仿真；3.应用商业软件进行开、闭环条件下瞬态侧风汽车气动特性与操纵稳定性实时耦合仿真，真实再现汽车所受瞬态侧风的行驶状态，获得瞬态侧风的敏感性因素及驾驶员修正汽车行驶轨迹偏移量的驾驶行为，为汽车辅助驾驶系统提供技术支持，为降低汽车瞬态侧风敏感性提供有效依据。

本研究以方程式赛车为研究对象，首先采用横摆模型法对不同侧风下的赛车气动特性进行了CFD仿真和试验研究，得到了相应的稳态侧风作用下的气动力，并对不同侧风下流场中速度以及压力的分布进行了分析，探究了稳态侧风作用下赛车的气动特性，并通过风洞试验方法验证数值方法的有效性。基于实车设计资料和总成结构参数试验，建立汽车系统动力学模型。分别在车身悬架连接点和车轮旋转中心创建耦合点，将瞬态侧风作用下的气动力分别加载在整车动力学模型中的车身部分和车轮部分（簧载质量部分和非簧载质量部分），使车身仅保持俯仰、侧倾和垂向的平移运动，同时赋予车轮相同速度的旋转运动。完成瞬态侧风作用下的汽车系统动力学模型的建立。通过仿真计算，获得赛车在受瞬态侧风作用下匀速直线运动条件下的流场数据、整车车身姿态数据及各主要部件的气动力参数，包括周围压力场、速度场、车身离地高度、整车升力、俯仰角度、各部件阻力等。研究发现，赛车各部件的气动力分布对其瞬态侧风稳定性的影响是至关重要的，对于气动下压力优化，要降低前轮的升力波动频率的同时兼顾后轮旋转时的流动改善，并且前后翼作为提供下压力最大的部件也直接影响了汽车的稳定性；扩散器部件优化可以改善流经车轮的流场，实现减阻与增加下压力共存；车身姿态方面，整车下压力较大的时刻对应车身姿态更低，俯仰角更大，前翼离地间隙更小。本研究以汽车所受瞬态侧风的行驶状态为条件，获得瞬态侧风影响下赛车稳定性因素，为降低赛车瞬态侧风敏感性提供有效的理论依据和技术支持。