一種汽車側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性動態(tài)耦合方法介紹

2020-11-10 16:24:02· 來源：AutoAero 作者：劉濤

行駛中的汽車受到周圍環(huán)境風(fēng)的影響，其運動狀態(tài)會發(fā)生改變，產(chǎn)生側(cè)滑或橫擺運動，影響汽車行駛穩(wěn)定性，造成行車安全問題。數(shù)值仿真計算方法較風(fēng)洞實驗更為靈活，

行駛中的汽車受到周圍環(huán)境風(fēng)的影響，其運動狀態(tài)會發(fā)生改變，產(chǎn)生側(cè)滑或橫擺運動，影響汽車行駛穩(wěn)定性，造成行車安全問題。

數(shù)值仿真計算方法較風(fēng)洞實驗更為靈活，既能考慮汽車在側(cè)風(fēng)作用下產(chǎn)生的側(cè)滑或橫擺等運動狀態(tài)，更能分析該運動狀態(tài)給汽車周圍流場帶來的反饋影響，實現(xiàn)空氣動力學(xué)與系統(tǒng)動力學(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，實現(xiàn)高速汽車側(cè)風(fēng)下的動態(tài)耦合模擬分析，真實地模擬汽車受側(cè)風(fēng)環(huán)境的干擾是十分必要的。針對上述問題，基于已有的研究，介紹一種動態(tài)耦合方法，實現(xiàn)了側(cè)風(fēng)條件下汽車的動態(tài)模擬分析以及汽車空氣動力學(xué)與系統(tǒng)動力學(xué)的動態(tài)耦合。

耦合方法介紹

耦合仿真方法分為流體計算與系統(tǒng)動力學(xué)計算兩部分，分別通過FLUENT與MATLAB實現(xiàn)。仿真過程中FLUENT與MATLAB均存在兩個狀態(tài)，即計算狀態(tài)與掃描狀態(tài)，計算狀態(tài)進(jìn)行正常的仿真計算，而掃描狀態(tài)則是通過監(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通過函數(shù)UDF來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，并且將計算得到的ｖ和ωｒ?qū)懭牍蚕砦募A從而實現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)交換。

雙向耦合仿真流程

兩者在循環(huán)仿真的過程中分別讀取對方上一步計算所得的結(jié)果作為該時間步仿真的激勵，以此來實現(xiàn)車身運動狀態(tài)與流場的耦合作用，即空氣動力學(xué)與系統(tǒng)動力學(xué)的耦合，其迭代仿真步驟如下圖所示。

雙向耦合迭代步驟

對于汽車側(cè)風(fēng)條件行駛下的工況，提出了一種動態(tài)耦合方法，使汽車在計算域內(nèi)以實際車速行駛，將車速與側(cè)風(fēng)獨立開來，實現(xiàn)汽車側(cè)風(fēng)下的動態(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態(tài)耦合模擬方案

域盒介紹

該方案中車身壁面的運動由FLUENT動網(wǎng)格技術(shù)實現(xiàn)，但是由于車身表面較為復(fù)雜，附近網(wǎng)格尺寸較小，故壁面邊界的運動勢必會導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量迅速增加，同時網(wǎng)格畸變率過大，甚至出現(xiàn)負(fù)體積，無法進(jìn)行計算。對于該情況，通常是將時間步長縮小，而這又將耗費大量的計算資源與時間，顯然也不可取。針對這一問題，采用一種適合于模擬復(fù)雜運動邊界大尺度運動的域盒動網(wǎng)格策略，即將汽車模型通過一長方體包裹，其內(nèi)外兩側(cè)各建立網(wǎng)格區(qū)域，該長方體即為域盒。邊界條件設(shè)為Interior，在計算過程中，域盒內(nèi)部的網(wǎng)格隨汽車模型一起運動。該方法的最大優(yōu)點是將網(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。