一種汽車側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)耦合方法介紹

2020-11-10 16:24:02· 來(lái)源：AutoAero 作者：劉濤

行駛中的汽車受到周圍環(huán)境風(fēng)的影響，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，產(chǎn)生側(cè)滑或橫擺運(yùn)動(dòng)，影響汽車行駛穩(wěn)定性，造成行車安全問(wèn)題。數(shù)值仿真計(jì)算方法較風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)更為靈活，

行駛中的汽車受到周圍環(huán)境風(fēng)的影響，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變，產(chǎn)生側(cè)滑或橫擺運(yùn)動(dòng)，影響汽車行駛穩(wěn)定性，造成行車安全問(wèn)題。

數(shù)值仿真計(jì)算方法較風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)更為靈活，既能考慮汽車在側(cè)風(fēng)作用下產(chǎn)生的側(cè)滑或橫擺等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，更能分析該運(yùn)動(dòng)狀態(tài)給汽車周圍流場(chǎng)帶來(lái)的反饋影響，實(shí)現(xiàn)空氣動(dòng)力學(xué)與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)之間的雙向耦合。為了更準(zhǔn)確地分析出汽車的側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性，在耦合方法的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)高速汽車側(cè)風(fēng)下的動(dòng)態(tài)耦合模擬分析，真實(shí)地模擬汽車受側(cè)風(fēng)環(huán)境的干擾是十分必要的。針對(duì)上述問(wèn)題，基于已有的研究，介紹一種動(dòng)態(tài)耦合方法，實(shí)現(xiàn)了側(cè)風(fēng)條件下汽車的動(dòng)態(tài)模擬分析以及汽車空氣動(dòng)力學(xué)與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的動(dòng)態(tài)耦合。

耦合方法介紹

耦合仿真方法分為流體計(jì)算與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算兩部分，分別通過(guò)FLUENT與MATLAB實(shí)現(xiàn)。仿真過(guò)程中FLUENT與MATLAB均存在兩個(gè)狀態(tài)，即計(jì)算狀態(tài)與掃描狀態(tài)，計(jì)算狀態(tài)進(jìn)行正常的仿真計(jì)算，而掃描狀態(tài)則是通過(guò)監(jiān)控程序?qū)蚕砦募A進(jìn)行循環(huán)掃描，監(jiān)控等待另一軟件上一步仿真的結(jié)果。FLUENT通過(guò)函數(shù)UDF來(lái)讀取共享文件夾中的側(cè)向速度ｖ和橫擺角速度ωｒ，并將該步仿真得到的側(cè)向力F和橫擺力矩Ｍ寫入共享文件夾，而MATLAB則通過(guò)ｍ文件從共享文件夾讀取側(cè)向力F和橫擺力矩Ｍ，并且將計(jì)算得到的ｖ和ωｒ?qū)懭牍蚕砦募A從而實(shí)現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)交換。

雙向耦合仿真流程

兩者在循環(huán)仿真的過(guò)程中分別讀取對(duì)方上一步計(jì)算所得的結(jié)果作為該時(shí)間步仿真的激勵(lì)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)車身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與流場(chǎng)的耦合作用，即空氣動(dòng)力學(xué)與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的耦合，其迭代仿真步驟如下圖所示。

雙向耦合迭代步驟

對(duì)于汽車側(cè)風(fēng)條件行駛下的工況，提出了一種動(dòng)態(tài)耦合方法，使汽車在計(jì)算域內(nèi)以實(shí)際車速行駛，將車速與側(cè)風(fēng)獨(dú)立開來(lái)，實(shí)現(xiàn)汽車側(cè)風(fēng)下的動(dòng)態(tài)分析。模擬方案如下右圖所示。

側(cè)風(fēng)下汽車行駛路線示意圖動(dòng)態(tài)耦合模擬方案

域盒介紹

該方案中車身壁面的運(yùn)動(dòng)由FLUENT動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)，但是由于車身表面較為復(fù)雜，附近網(wǎng)格尺寸較小，故壁面邊界的運(yùn)動(dòng)勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量迅速增加，同時(shí)網(wǎng)格畸變率過(guò)大，甚至出現(xiàn)負(fù)體積，無(wú)法進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于該情況，通常是將時(shí)間步長(zhǎng)縮小，而這又將耗費(fèi)大量的計(jì)算資源與時(shí)間，顯然也不可取。針對(duì)這一問(wèn)題，采用一種適合于模擬復(fù)雜運(yùn)動(dòng)邊界大尺度運(yùn)動(dòng)的域盒動(dòng)網(wǎng)格策略，即將汽車模型通過(guò)一長(zhǎng)方體包裹，其內(nèi)外兩側(cè)各建立網(wǎng)格區(qū)域，該長(zhǎng)方體即為域盒。邊界條件設(shè)為Interior，在計(jì)算過(guò)程中，域盒內(nèi)部的網(wǎng)格隨汽車模型一起運(yùn)動(dòng)。該方法的最大優(yōu)點(diǎn)是將網(wǎng)格更新的位置轉(zhuǎn)移至域盒外面的大尺寸網(wǎng)格，而其內(nèi)部小尺寸網(wǎng)格不再更新。

域盒示意圖動(dòng)態(tài)模擬網(wǎng)格

針對(duì)汽車側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)耦合的問(wèn)題，該方法將車速與側(cè)風(fēng)進(jìn)行解耦處理，實(shí)現(xiàn)了側(cè)風(fēng)條件下汽車的動(dòng)態(tài)模擬分析以及汽車空氣動(dòng)力學(xué)與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的動(dòng)態(tài)耦合。

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