一种汽车侧风稳定性动态耦合方法介绍

2020-11-10 16:24:02· 来源：AutoAero 作者：刘涛

行驶中的汽车受到周围环境风的影响，其运动状态会发生改变，产生侧滑或横摆运动，影响汽车行驶稳定性，造成行车安全问题。数值仿真计算方法较风洞实验更为灵活，

行驶中的汽车受到周围环境风的影响，其运动状态会发生改变，产生侧滑或横摆运动，影响汽车行驶稳定性，造成行车安全问题。

数值仿真计算方法较风洞实验更为灵活，既能考虑汽车在侧风作用下产生的侧滑或横摆等运动状态，更能分析该运动状态给汽车周围流场带来的反馈影响，实现空气动力学与系统动力学之间的双向耦合。为了更准确地分析出汽车的侧风稳定性，在耦合方法的基础上，实现高速汽车侧风下的动态耦合模拟分析，真实地模拟汽车受侧风环境的干扰是十分必要的。针对上述问题，基于已有的研究，介绍一种动态耦合方法，实现了侧风条件下汽车的动态模拟分析以及汽车空气动力学与系统动力学的动态耦合。

耦合方法介绍

耦合仿真方法分为流体计算与系统动力学计算两部分，分别通过FLUENT与MATLAB实现。仿真过程中FLUENT与MATLAB均存在两个状态，即计算状态与扫描状态，计算状态进行正常的仿真计算，而扫描状态则是通过监控程序对共享文件夹进行循环扫描，监控等待另一软件上一步仿真的结果。FLUENT通过函数UDF来读取共享文件夹中的侧向速度ｖ和横摆角速度ωｒ，并将该步仿真得到的侧向力F和横摆力矩Ｍ写入共享文件夹，而MATLAB则通过ｍ文件从共享文件夹读取侧向力F和横摆力矩Ｍ，并且将计算得到的ｖ和ωｒ写入共享文件夹从而实现两者的数据交换。

双向耦合仿真流程

两者在循环仿真的过程中分别读取对方上一步计算所得的结果作为该时间步仿真的激励，以此来实现车身运动状态与流场的耦合作用，即空气动力学与系统动力学的耦合，其迭代仿真步骤如下图所示。

双向耦合迭代步骤

对于汽车侧风条件行驶下的工况，提出了一种动态耦合方法，使汽车在计算域内以实际车速行驶，将车速与侧风独立开来，实现汽车侧风下的动态分析。模拟方案如下右图所示。

侧风下汽车行驶路线示意图动态耦合模拟方案

域盒介绍

该方案中车身壁面的运动由FLUENT动网格技术实现，但是由于车身表面较为复杂，附近网格尺寸较小，故壁面边界的运动势必会导致网格数量迅速增加，同时网格畸变率过大，甚至出现负体积，无法进行计算。对于该情况，通常是将时间步长缩小，而这又将耗费大量的计算资源与时间，显然也不可取。针对这一问题，采用一种适合于模拟复杂运动边界大尺度运动的域盒动网格策略，即将汽车模型通过一长方体包裹，其内外两侧各建立网格区域，该长方体即为域盒。边界条件设为Interior，在计算过程中，域盒内部的网格随汽车模型一起运动。该方法的最大优点是将网格更新的位置转移至域盒外面的大尺寸网格，而其内部小尺寸网格不再更新。