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車輛的主動氣動安全

2019-04-06 10:53:25·  來源：AutoAero 張英朝教授  
　
2019F1中國大獎賽馬上要來臨了，這將是世界一級方程式錦標(biāo)賽的第一千場?？焖佘囕v保證駕駛極限下的氣動安全問題備受關(guān)注。本期將介紹一種多學(xué)科同步作用下的空氣
2019F1中國大獎賽馬上要來臨了，這將是世界一級方程式錦標(biāo)賽的第一千場?？焖佘囕v保證駕駛極限下的氣動安全問題備受關(guān)注。本期將介紹一種多學(xué)科同步作用下的空氣動力學(xué)主動控制系統(tǒng)來實現(xiàn)車輛的主動氣動安全設(shè)計。該思路也可用來指導(dǎo)快速賽車的相關(guān)設(shè)計。
 
限制化石燃料消耗來減少排放的趨勢使得汽車的外形通常是為低空氣阻力而優(yōu)化的。這種設(shè)計的缺點是車身在高速下會產(chǎn)生氣動升力，降低了汽車的方向穩(wěn)定性，尤其降低了快速轉(zhuǎn)彎時的安全極限。補償措施通常是高速啟動的固定或移動的氣動元件。通常，這樣的空氣動力元件具有機翼的形式，會產(chǎn)生下壓力，以補償由車身產(chǎn)生的升力。由于這些元件同樣會產(chǎn)生附加的阻力，因此只有在必要時才需要激活它們。例如保時捷918 Spyder等跑車的主動氣動（PAA）,通過預(yù)定義的空氣動力學(xué)設(shè)置，實現(xiàn)相應(yīng)工況的最優(yōu)氣動特性。又如邁凱輪塞納利用主動空氣動力學(xué)增強制動。以上涉及到的主動空氣動力學(xué)均是用來支持由司機執(zhí)行的機動。
保時捷918 Spyder的空氣動力學(xué)配置效率（啟動、速度、性能)及其影響
 
隨著可以安裝在汽車上的傳感器類型的增加，設(shè)計一個能夠評估當(dāng)前道路狀況并自動修改空氣動力學(xué)特性的駕駛員輔助系統(tǒng)是可能的。例如司機可以在快速行駛期間使用機器視覺技術(shù)來估計道路曲率和利用駕駛輔助系統(tǒng)來評估速度是否在安全裕度并且判斷汽車的空氣動力設(shè)置是否最適合汽車的安全。這也可以給執(zhí)行主動空氣動力機構(gòu)運動的必要時間，以便利用更高的空氣動力值，甚至在駕駛員意識到之前就采取某種行動。
空氣動力學(xué)主動控制系統(tǒng)需要了解汽車的實際狀態(tài)、車身上可移動空氣動力學(xué)部件的位置以及轉(zhuǎn)向算法。通常認為可以從位于車內(nèi)的傳感器收集信息，并將一組可移動的空氣動力元件附在車身上，形成一個控制回路。
汽車主動氣動安全的分析流程
 
part1 主動空氣動力學(xué)元件
 
通常，這些元件都采用剛性的，它的運動可由電動伺服機構(gòu)實現(xiàn)。如使用尾翼產(chǎn)生氣動力時，其氣動力的大小通常取決于機翼的迎角。目前，大多數(shù)跑車都有某種尾翼，用來提高汽車在高速行駛時的操控性。如果尾翼設(shè)計成主動氣動件，除了它的氣動特性外，知道如何控制和調(diào)整相對于汽車輪廓的特定位置所期望的攻角或?qū)⑵湟苿拥教囟ㄎ恢檬欠浅Ｖ匾摹Ｈ粞芯坑捎谖惨碛堑淖兓S時間的非定常流動特征，可利用ANSYS Fluent進行CFD計算。由于不穩(wěn)定現(xiàn)象,升力系數(shù)和阻力系數(shù)的峰值絕對值是高于流動穩(wěn)定下來之后的,這意味著短時間內(nèi)主動空氣動力學(xué)的快速移動件可以產(chǎn)生額外的氣動力，因此在控制過程中必須考慮非定常現(xiàn)象。
還有一些非典型的可移動附加件，如在車輛的不同位置使用柔性可變形表面。這些表面可以采用安全氣囊的形式，在非活動狀態(tài)下，它們緊密地附著在車身上，而在活動狀態(tài)下(充氣)，類似氣囊會改變它們的形狀，同時也會改變車輛的形狀。向其內(nèi)部供應(yīng)壓縮空氣，該材料會拉伸和膨脹。一旦空氣被釋放，這種彈性材料就會回到原來的形狀。假設(shè)采用壓縮空氣來控制柔性氣動元件的形狀，要保證其壓力比環(huán)境壓力大得多。這樣不管汽車在什么樣的速度下，這些元件將有一個固定的形狀。
Part2 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和主動氣動元件的控制
 
為實現(xiàn)項目目標(biāo)，需要開發(fā)一套測控系統(tǒng)。整個系統(tǒng)應(yīng)包含三個子系統(tǒng):測量子系統(tǒng)、驅(qū)動(控制)子系統(tǒng)和用戶界面。
測控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
測量子系統(tǒng)由多個傳感器及其接口組成。主要傳感器是一個綜合GPS(全球定位系統(tǒng))和AHRS(姿態(tài)和航向參考系統(tǒng))傳感器。該傳感器提供導(dǎo)航和車輛狀態(tài)數(shù)據(jù):線性加速度、線性速度分量、慣性位置、角速度和三個垂直軸上的姿態(tài)角。另一個傳感器是車輛控制測量傳感器，會提供車輛方向盤角度和油門和剎車踏板位置等數(shù)據(jù)。這兩個傳感器足以控制車輛的氣動表面。為了其他研究，該系統(tǒng)還可以使用懸架撓度傳感器，例如在每個車輛減震器中都使用線性電位計傳感器。
驅(qū)動子系統(tǒng)由氣動元件驅(qū)動和懸架控制兩部分組成。氣動面采用PWM(脈寬調(diào)制)信號控制伺服機構(gòu)。采用RS-485接口來控制這些伺服機構(gòu)，所有伺服機構(gòu)通過信號轉(zhuǎn)換器連接到RS-485控制線。
第三個子系統(tǒng)是用戶界面。GUI安裝在通過以太網(wǎng)接口連接到系統(tǒng)控制器的筆記本上。GUI允許操作員觀察測量數(shù)據(jù)，配置控制器(可以使用不同的操作模式)，并手動控制氣動表面。RT控制器也可配置為在不連接用戶控制界面面板的情況下以全自動方式運行。
系統(tǒng)軟件可采用LabVIEW軟件開發(fā)，其主要目的是保證系統(tǒng)的實時運行。通常包括系統(tǒng)流程模塊、用戶界面通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制算法模塊、執(zhí)行模塊和記錄器模塊。
part3 模型與仿真
 
在開發(fā)一種新的氣動解決方案時，有必要確定需要解決的問題和實現(xiàn)目標(biāo)所需的工具。最終的解決方案應(yīng)該在測試車上進行測試。同時，可以使用多種建模技術(shù)來幫助開發(fā)。
三種空氣動力學(xué)研究方法
通常，對于空氣動力學(xué)研究的技術(shù)包括CFD仿真、風(fēng)洞實驗以及道路試驗?，F(xiàn)在有更先進的技術(shù)，可以準(zhǔn)確預(yù)測受主動控制的汽車移動氣動表面的行為。這包括對諸如尾翼運動、附著在車身上的可變形表面的行為和影響等情況的研究，以及對移動車輛的完整模擬。在仿真的基礎(chǔ)上，提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)對氣動元件運動控制的算法。
在軟件仿真方面，可選擇以下軟件:
(1)可以使用SolidWorks、Unigraphics 和ANSYS-Fluent包中包含的軟件來建立車輛的三維幾何形狀及其安裝在車身上的機動氣動元件;
(2)使用CFD ANSYS-Fluent和OpenFOAM用于車身周圍流動分析;
(3)使用MCS.Adams/Car與作為MAS.Adams/Car和ANSYS-Fluent之間接口的Matlab/Simulink來研究車輛動力學(xué);
(4)可變形彈性車身部件運動分析及車身運動動力學(xué)仿真軟件。
風(fēng)洞內(nèi)的流體實驗除了可以獲得相關(guān)的氣動力外也可使用一些工具實現(xiàn)車身周圍的流動可視化。風(fēng)洞試驗還能夠?qū)Ω皆谄嚹Ｐ蜕系囊硇秃蛿_流板進行快速和隨時間變化的測試并給出隨攻角或時間變化下的氣動力系數(shù)。利用風(fēng)洞試驗過程中記錄的氣動力值和部分流場特征，可以對CFD方法進行驗證。
進行受主動氣動元件影響的汽車動力學(xué)數(shù)值模擬時，有關(guān)車身氣動特性的信息必須轉(zhuǎn)移到汽車動力學(xué)分析軟件中，其目的是精確地定義模型的所有機械系數(shù)，并僅對選定的參數(shù)檢查汽車的反應(yīng)。一方面，道路試驗數(shù)據(jù)是決定性的數(shù)據(jù)，另一方面，汽車動力學(xué)受到許多不可預(yù)測因素的影響，如胎壓和溫度、懸架幾何錯誤、側(cè)風(fēng)、道路傾角、駕駛員的素質(zhì)等。因此，需開發(fā)獨立的汽車動力學(xué)分析軟件，可選用合適的車輛自由度模型，并與已知信息進行比較驗證。
設(shè)計低阻力系數(shù)的輕型汽車需要保證汽車在所有道路條件下的穩(wěn)定性。在模擬中，很少考慮汽車動力學(xué)和空氣動力學(xué)之間的耦合，通常，假定汽車的運動不會影響空氣動力，這個假設(shè)是不正確的。研究表明，包括雙向流體結(jié)構(gòu)相互作用在內(nèi)的氣動力變化顯著。例如汽車制動的物理過程是復(fù)雜的。制動汽車產(chǎn)生向前軸的載荷轉(zhuǎn)移，壓迫懸架彈簧，改變車身的傾斜度，導(dǎo)致氣動力的變化；同時在剎車時汽車減速，這會降低空氣動力同時改變車身的姿態(tài)。這是一個完全耦合的FSI過程，必須進行建模和仿真。目前，很少有發(fā)表的論文在汽車分析中提到完全耦合，車輛的速度隨時間而顯著變化(例如在加速/制動過程中)。有研究提出的制動過程仿真方法的工作流程如下圖。結(jié)合風(fēng)洞實驗數(shù)據(jù)可以對耦合過程進行驗證。
程序連接和數(shù)據(jù)交換的方案
目前在轉(zhuǎn)向分析上也有研究。這部分研究的目的是檢查氣動結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)彎臨界速度的影響。有必要把參照系換成運動的，有了這種方法，就有可能模擬轉(zhuǎn)彎，并考慮到與此有關(guān)的所有汽車運動。
（a）關(guān)于制動的CFD分析（b）關(guān)于轉(zhuǎn)彎的CFD分析
關(guān)于道路測試可由經(jīng)驗豐富的車手駕駛，其駕駛技術(shù)可使得以高度重復(fù)的方式完成所有測試場景。也可給出不同的空氣動力學(xué)和懸掛設(shè)置時關(guān)于汽車的處理。道路測試也可在半自動模式下進行，車內(nèi)的乘客同時也作為控制系統(tǒng)的操作員，是有關(guān)駕駛舒適性的信息來源。通過這種方式，傳感器獲取的數(shù)據(jù)可以豐富主觀的人類經(jīng)驗。采用主動氣動和懸架控制對控制采集系統(tǒng)進行測試，并通過軟件算法對控制系統(tǒng)進行動態(tài)控制。在賽道測試中執(zhí)行幾種不同的場景，包括快速剎車、回轉(zhuǎn)(slalom)和急轉(zhuǎn)彎。從測試中獲得的數(shù)據(jù)可驗證前面所有階段的工作。道路試驗可以指定理論假設(shè)、路面條件(粗糙度)和風(fēng)洞結(jié)果不足以保持穩(wěn)定平衡的點和假設(shè)條件。
 
結(jié)論
為了實現(xiàn)主動氣動裝置幾何和控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，提高快速行駛汽車的安全性，需要多學(xué)科同步作用，將所考慮的解的優(yōu)缺點聯(lián)系起來。非定常流模擬、柔性材料FSI模擬、汽車動態(tài)模擬、汽車空氣動力學(xué)和汽車動力學(xué)耦合FSI、風(fēng)洞的實驗測試和道路測試等的協(xié)調(diào)同步會成為利用電控主動空氣動力元件的激活和控制來擴展跑車的駕駛極限的解決方法。
內(nèi)容來源
Krzysztof Kurec, Micha? Remer, Jakub Broniszewski, Przemys?aw 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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