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车辆的主动气动安全

2019-04-06 10:53:25·  来源：AutoAero 张英朝教授  
　
2019F1中国大奖赛马上要来临了，这将是世界一级方程式锦标赛的第一千场。快速车辆保证驾驶极限下的气动安全问题备受关注。本期将介绍一种多学科同步作用下的空气
2019F1中国大奖赛马上要来临了，这将是世界一级方程式锦标赛的第一千场。快速车辆保证驾驶极限下的气动安全问题备受关注。本期将介绍一种多学科同步作用下的空气动力学主动控制系统来实现车辆的主动气动安全设计。该思路也可用来指导快速赛车的相关设计。
 
限制化石燃料消耗来减少排放的趋势使得汽车的外形通常是为低空气阻力而优化的。这种设计的缺点是车身在高速下会产生气动升力，降低了汽车的方向稳定性，尤其降低了快速转弯时的安全极限。补偿措施通常是高速启动的固定或移动的气动元件。通常，这样的空气动力元件具有机翼的形式，会产生下压力，以补偿由车身产生的升力。由于这些元件同样会产生附加的阻力，因此只有在必要时才需要激活它们。例如保时捷918 Spyder等跑车的主动气动（PAA）,通过预定义的空气动力学设置，实现相应工况的最优气动特性。又如迈凯轮塞纳利用主动空气动力学增强制动。以上涉及到的主动空气动力学均是用来支持由司机执行的机动。
保时捷918 Spyder的空气动力学配置效率（启动、速度、性能)及其影响
 
随着可以安装在汽车上的传感器类型的增加，设计一个能够评估当前道路状况并自动修改空气动力学特性的驾驶员辅助系统是可能的。例如司机可以在快速行驶期间使用机器视觉技术来估计道路曲率和利用驾驶辅助系统来评估速度是否在安全裕度并且判断汽车的空气动力设置是否最适合汽车的安全。这也可以给执行主动空气动力机构运动的必要时间，以便利用更高的空气动力值，甚至在驾驶员意识到之前就采取某种行动。
空气动力学主动控制系统需要了解汽车的实际状态、车身上可移动空气动力学部件的位置以及转向算法。通常认为可以从位于车内的传感器收集信息，并将一组可移动的空气动力元件附在车身上，形成一个控制回路。
汽车主动气动安全的分析流程
 
part1 主动空气动力学元件
 
通常，这些元件都采用刚性的，它的运动可由电动伺服机构实现。如使用尾翼产生气动力时，其气动力的大小通常取决于机翼的迎角。目前，大多数跑车都有某种尾翼，用来提高汽车在高速行驶时的操控性。如果尾翼设计成主动气动件，除了它的气动特性外，知道如何控制和调整相对于汽车轮廓的特定位置所期望的攻角或将其移动到特定位置是非常重要的。若研究由于尾翼迎角的变化随时间的非定常流动特征，可利用ANSYS Fluent进行CFD计算。由于不稳定现象,升力系数和阻力系数的峰值绝对值是高于流动稳定下来之后的,这意味着短时间内主动空气动力学的快速移动件可以产生额外的气动力，因此在控制过程中必须考虑非定常现象。
还有一些非典型的可移动附加件，如在车辆的不同位置使用柔性可变形表面。这些表面可以采用安全气囊的形式，在非活动状态下，它们紧密地附着在车身上，而在活动状态下(充气)，类似气囊会改变它们的形状，同时也会改变车辆的形状。向其内部供应压缩空气，该材料会拉伸和膨胀。一旦空气被释放，这种弹性材料就会回到原来的形状。假设采用压缩空气来控制柔性气动元件的形状，要保证其压力比环境压力大得多。这样不管汽车在什么样的速度下，这些元件将有一个固定的形状。
Part2 系统的数据采集和主动气动元件的控制
 
为实现项目目标，需要开发一套测控系统。整个系统应包含三个子系统:测量子系统、驱动(控制)子系统和用户界面。
测控系统的硬件结构
测量子系统由多个传感器及其接口组成。主要传感器是一个综合GPS(全球定位系统)和AHRS(姿态和航向参考系统)传感器。该传感器提供导航和车辆状态数据:线性加速度、线性速度分量、惯性位置、角速度和三个垂直轴上的姿态角。另一个传感器是车辆控制测量传感器，会提供车辆方向盘角度和油门和刹车踏板位置等数据。这两个传感器足以控制车辆的气动表面。为了其他研究，该系统还可以使用悬架挠度传感器，例如在每个车辆减震器中都使用线性电位计传感器。
驱动子系统由气动元件驱动和悬架控制两部分组成。气动面采用PWM(脉宽调制)信号控制伺服机构。采用RS-485接口来控制这些伺服机构，所有伺服机构通过信号转换器连接到RS-485控制线。
第三个子系统是用户界面。GUI安装在通过以太网接口连接到系统控制器的笔记本上。GUI允许操作员观察测量数据，配置控制器(可以使用不同的操作模式)，并手动控制气动表面。RT控制器也可配置为在不连接用户控制界面面板的情况下以全自动方式运行。
系统软件可采用LabVIEW软件开发，其主要目的是保证系统的实时运行。通常包括系统流程模块、用户界面通信模块、数据采集模块、控制算法模块、执行模块和记录器模块。
part3 模型与仿真
 
在开发一种新的气动解决方案时，有必要确定需要解决的问题和实现目标所需的工具。最终的解决方案应该在测试车上进行测试。同时，可以使用多种建模技术来帮助开发。
三种空气动力学研究方法
通常，对于空气动力学研究的技术包括CFD仿真、风洞实验以及道路试验。现在有更先进的技术，可以准确预测受主动控制的汽车移动气动表面的行为。这包括对诸如尾翼运动、附着在车身上的可变形表面的行为和影响等情况的研究，以及对移动车辆的完整模拟。在仿真的基础上，提出了一种能够实现对气动元件运动控制的算法。
在软件仿真方面，可选择以下软件:
(1)可以使用SolidWorks、Unigraphics 和ANSYS-Fluent包中包含的软件来建立车辆的三维几何形状及其安装在车身上的机动气动元件;
(2)使用CFD ANSYS-Fluent和OpenFOAM用于车身周围流动分析;
(3)使用MCS.Adams/Car与作为MAS.Adams/Car和ANSYS-Fluent之间接口的Matlab/Simulink来研究车辆动力学;
(4)可变形弹性车身部件运动分析及车身运动动力学仿真软件。
风洞内的流体实验除了可以获得相关的气动力外也可使用一些工具实现车身周围的流动可视化。风洞试验还能够对附在汽车模型上的翼型和扰流板进行快速和随时间变化的测试并给出随攻角或时间变化下的气动力系数。利用风洞试验过程中记录的气动力值和部分流场特征，可以对CFD方法进行验证。
进行受主动气动元件影响的汽车动力学数值模拟时，有关车身气动特性的信息必须转移到汽车动力学分析软件中，其目的是精确地定义模型的所有机械系数，并仅对选定的参数检查汽车的反应。一方面，道路试验数据是决定性的数据，另一方面，汽车动力学受到许多不可预测因素的影响，如胎压和温度、悬架几何错误、侧风、道路倾角、驾驶员的素质等。因此，需开发独立的汽车动力学分析软件，可选用合适的车辆自由度模型，并与已知信息进行比较验证。
设计低阻力系数的轻型汽车需要保证汽车在所有道路条件下的稳定性。在模拟中，很少考虑汽车动力学和空气动力学之间的耦合，通常，假定汽车的运动不会影响空气动力，这个假设是不正确的。研究表明，包括双向流体结构相互作用在内的气动力变化显著。例如汽车制动的物理过程是复杂的。制动汽车产生向前轴的载荷转移，压迫悬架弹簧，改变车身的倾斜度，导致气动力的变化；同时在刹车时汽车减速，这会降低空气动力同时改变车身的姿态。这是一个完全耦合的FSI过程，必须进行建模和仿真。目前，很少有发表的论文在汽车分析中提到完全耦合，车辆的速度随时间而显著变化(例如在加速/制动过程中)。有研究提出的制动过程仿真方法的工作流程如下图。结合风洞实验数据可以对耦合过程进行验证。
程序连接和数据交换的方案
目前在转向分析上也有研究。这部分研究的目的是检查气动结构对转弯临界速度的影响。有必要把参照系换成运动的，有了这种方法，就有可能模拟转弯，并考虑到与此有关的所有汽车运动。
（a）关于制动的CFD分析（b）关于转弯的CFD分析
关于道路测试可由经验丰富的车手驾驶，其驾驶技术可使得以高度重复的方式完成所有测试场景。也可给出不同的空气动力学和悬挂设置时关于汽车的处理。道路测试也可在半自动模式下进行，车内的乘客同时也作为控制系统的操作员，是有关驾驶舒适性的信息来源。通过这种方式，传感器获取的数据可以丰富主观的人类经验。采用主动气动和悬架控制对控制采集系统进行测试，并通过软件算法对控制系统进行动态控制。在赛道测试中执行几种不同的场景，包括快速刹车、回转(slalom)和急转弯。从测试中获得的数据可验证前面所有阶段的工作。道路试验可以指定理论假设、路面条件(粗糙度)和风洞结果不足以保持稳定平衡的点和假设条件。
 
结论
为了实现主动气动装置几何和控制系统的优化设计，提高快速行驶汽车的安全性，需要多学科同步作用，将所考虑的解的优缺点联系起来。非定常流模拟、柔性材料FSI模拟、汽车动态模拟、汽车空气动力学和汽车动力学耦合FSI、风洞的实验测试和道路测试等的协调同步会成为利用电控主动空气动力元件的激活和控制来扩展跑车的驾驶极限的解决方法。
内容来源
Krzysztof Kurec, Michał Remer, Jakub Broniszewski, Przemysław Bibik, Sylwester Tudruj, and Janusz Piechna, “Advanced Modeling and Simulation of Vehicle Active Aerodynamic Safety,” Journal of Advanced Transportation, vol. 2019, Article ID 7308590, 17 pages, 2019.  
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