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肇乔
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1 第 34 卷第 3 期 2014 年 3 月北京理工大学学报 TransactionsofBeijingInstituteofTechnology Vol.34 No.3 Mar.2014 集装箱货车高速侧风行驶稳定性分析谷正气, 贺桂敏 ( 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室, 湖南长沙 ) 摘要 : 探讨一种将汽车空气动力学与系统动力学相结合的方法, 开展了侧风对高速行驶集装箱货车行驶稳定性的影响研究. 采用数值模拟方法得出 3~7 级侧风下, 集装箱货车在常用车速及极限车速下的气动力及气动力矩的变化规律, 并通过将一系列 Step 函数添加到 Adams/car 软件建立的系统动力学模型中进行行驶安全性分析. 选取侧向位移和偏折角作为评价的指标. 研究结果表明侧风为 7 级时, 集装箱货车的速度应保持在 80km/h 以内 ; 侧风为 6 级时, 速度应保持在 100km/h 以内, 才能保证其行车安全. 关键词 : 空气动力学 ; 系统动力学 ; 侧风 ; 操纵稳定性中图分类号 :U 文献标志码 :A 文章编号 : (2014) AnalysisontheDrivingStabilityofHigh-SpeedContainer TruckinCrosswinds GU Zheng-qi, HE Gui-min (StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignand ManufactureforVehicleBody, Hu nanuniversity,changsha,hu nan410082,china) Abstract:Anew methodcombiningthecaraerodynamicsandsystem dynamicswasexploredfor theresearch abouttheinfluenceofcrosswindsonthecontainertruck handling stability.a numericalsimulationwasadopedtogetthevariationregularityofaerodynamicforceandmoment ofthecontainertruckincommonspeedandlimitspeedaround3to7levelcrosswinds.andthen thevariationregularitywasaddedtothedynamicmodelinadams/carthroughstepfunctionsto analyzethedrivingsafety.thesimulationresultsshowthatthecontainertruckspeedshouldbe lessthan80km/h whenthecrosswindsatthe7level,thespeedshouldbelessthan100km/h whenthecrosswindsatthe6leveltoensureitstraficsafety.theresultsalsoprovideareference forthecontainertruckdrivingsafetyundercrosswinds,aswelasanewatemptandbasistothe research methodsandprocessesofthevehicledrivingstability. Keywords:aerodynamic;systemdynamics;crosswinds;handlingstability 高速行驶中的汽车受到较高强度侧风作用时, 会使作用在车身上的瞬时气动压力波动迅速发生变化, 引起轮胎侧偏特性的改变, 致使汽车发生横摆侧滑侧倾侧翻等, 从而影响汽车瞬态行驶稳定性, [12] 严重时会发生交通事故. 集装型货车由于长宽比大, 重心位置高, 侧面面积大及设计的轻量化趋势使其对侧向风更为敏感. 本文作者选用某企业重型半挂集装箱货车实车模型, 采用 CFD 软件对 3~7 级侧风下集装箱货车在常用车速及极限车速 80,90,100,110km/h 下的气动特性进行了数值仿真, 并结合在 Adams/car 软件中建立的集装箱货车多自由度系统动力学模型进收稿日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( ); 湖南省科技攻关计划重点资助项目 (2009JT1014); 国家教育部长江学者与创新团队发展计划 ( ); 湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室自主资助课题 ( ) 作者简介 : 谷正气 (1963 ), 男, 教授, 博士生导师, guzhengqi63@126.com.

2 第 3 期谷正气等 : 集装箱货车高速侧风行驶稳定性分析 251 行行驶稳定性分析, 通过一系列的 step 函数实现仿真中气动力及气动力矩的变化, 进而评估了集装箱货车侧风环境下的行驶安全性, 并提出了一些建议性措施. 1 CFD 仿真计算 1.1 三维模型在 UG 软件中建立集装箱货车 1 1 的实车模型, 在不影响计算精度以及原车型整体气动性能的前提下, 对原始模型进行适当的简化处理 : 驾驶室部分忽略喇叭门把手雨刮器后视镜支架等, 但保留了后视镜雨刮器凹槽等细部特征 ; 对底盘做平整化处理, 简化车轮车桥等复杂结构, 将轮胎简化为实心圆柱形. 简化后的模型尺寸为 : 车身长 16883mm, 宽 2438mm, 高 3988mm, 正面投影面积 9.78m 计算域及网格划分数值仿真时采用的计算域为长方形, 大小设置为 : 入口距车辆前端 3 倍车长, 出口距车辆后端 6 倍车长, 总高度为 5 倍车高, 侧风入口距车辆 5 倍车宽, 侧风出口距车辆 9 倍车宽. 如图 1 所示. 图 1 仿真计算域 Fig.1 Calculationdomainofsimulation 采用 OCTREE 方法在整个计算域生成非结构化空间网格, 在车身表面拉伸出与其平行的三棱柱网格, 以满足壁面函数的需求, 精确模拟汽车表面的附面层. 计算敏感区域使用密度盒加密, 以达到局部网格细化的目的. 截去车轮与地面相接的 10mm 厚度, 以车轮截面向地面拉伸 10mm 的立方体垫板, 不仅可以部分模拟汽车轮胎的承重变形, 又可改 [3] 善车轮与地面相接处的网格质量. 整个计算域网格数目大约为万. 如图 2 所示. 图 2 车身周围及局部网格拓扑 Fig.2 Mesharoundcar 1.3 仿真设置边界条件设置 1 入口 :Velocity-inlet 边界,x 正方向速度等于车速 v 1,y 正方向的速度等于风速 v 2 ; 2 出口 :Pressure-outlet 边界, 出口处相对大气压力为 0; 3 地面 :Moving-wal 边界, 自由滑移壁面 ; 4 顶面 :Wal 边界, 无滑移壁面 ; 5 侧风入口 :Velocity-inlet 边界,x 正方向速度等于车速 v 1,y 正方向的速度等于风速 v 2 ; 6 侧风出口 :Pressure-outlet 边界, 出口处相对大气压力为 0; 7 车身表面 :Wal 边界, 无滑移壁面工况设置考虑集装箱货车的常用车速及极限车速, 设置 v 1 分别为 80,90,100,110km/h, 参考自然界风级情况, 设置风速 v 2 为 3~7 级风, 具体计算时取每级风速大小的平均值. 风速范围为 :3 级 3.4~5.4m/s, 4 级 5.5~7.9m/s,5 级 8~10.7m/s,6 级 10.8~ 13.8m/s,7 级 13.9~17.1m/s 计算参数设置对于高速侧风下的集装箱货车外流场研究问题, 涡黏模型可以获得时均的速度场压力等信息, 且能更好地处理流场状态的连续变化,Realizableḵ ε 模型已被有效地用于各种不同类型的流动模拟, 包括旋转均匀剪切流包含有射流和混合流的自由流动管道内流动边界层流动, 以及带有分离的流动等. 仿真时选择 Realizableḵε 模型 ( 考虑低雷诺数流动黏性和湍流涡旋, 具有较高的可信度和精度 ) 进行集装箱货车气动特性的仿真分析. 速度和压力耦合采用对耦合关系密切更有优势的半隐式算法 SIMPLE [4]. 1.4 气动力及气动力矩特性曲线汽车的重心和风压中心往往不重合, 因为有气动力的存在, 就会产生附加的气动力矩, 可分别表示为侧倾力矩横摆力矩纵倾力矩. 取各力矩值作用点为原点 (0,0,0), 仿真得出集装箱货车所受到的气动力及气动力矩变化如图 3 所示. 其中正负代表方向. 集装箱货车高速行驶时, 气动力对其行驶稳定性产生很大影响. 气动阻力使轮胎纵向切力发生变化, 气动升力和纵倾力矩使车辆前后轮胎附着力发生改变, 对其操纵稳定性产生影响 ; 气动侧力横摆

252 北京理工大学学报第 34 卷图 3 气动力特性曲线 Fig.3 Aerodynamictrends 力矩和侧倾力矩则直接作用于车身, 使汽车的受力状态发生变化, 影响汽车的转向特性和行驶稳 [5] 定性. 2 侧风行驶稳定性分析 2.1 多自由度系统动力学模型集装箱货车系统是由牵引车和半挂车组合而成的 6 轴车辆, 是比普通轿车更为庞大复杂的多体系统.

3 252 北京理工大学学报第 34 卷图 3 气动力特性曲线 Fig.3 Aerodynamictrends 力矩和侧倾力矩则直接作用于车身, 使汽车的受力状态发生变化, 影响汽车的转向特性和行驶稳 [5] 定性. 2 侧风行驶稳定性分析 2.1 多自由度系统动力学模型集装箱货车系统是由牵引车和半挂车组合而成的 6 轴车辆, 是比普通轿车更为庞大复杂的多体系统. 其多体动力学模型的建立既要保证模型的精细程度, 又要保证仿真分析的稳定性和可靠性. 因此, 在模型建立的过程中必须满足以下两个条件 : 确保各种建模所需的特性参数的准确性 ; 确保模型简化与建立过程的合理性和准确性. 建模中所需要的几何尺寸参数和质量特性参数 ( 质量质心转动惯量等 ) 通过三维模型以及三维建模软件 UG 分析获取 ; 力学特性参数 ( 钢板弹簧悬架轮胎等 ) 通过试验得到或由企业提供 ; 仿真时的设置参数根据国家标准设置. 模型在 Adams/car 软件中采取自下而上的模式建立, 即整车系统建立在各个子系统基础上, 子系 [6] 统在模板基础上建立, 模板是最为基础的部分. 建模过程中, 对仿真分析影响不大的零部件进行忽略和简化, 对除了轮胎阻尼元件以及弹性元件以外的其余零部件均认为是刚体, 仿真分析中不考虑其变形. 整车动力学模型主要包括牵引车前后悬架系统, 挂车悬架系统, 动力系统, 转向系统, 牵引车与挂车车身系统, 鞍座模型和轮胎模型. 最后引入路面条件及侧风状况等外部约束条件总装成整车系统. 如图 4 所示. 图 4 整车系统动力学模型 Fig.4 Systemdynamicsmodel 2.2 侧风行驶稳定性分析集装箱货车侧风稳定性分析以在平直路面上直线行驶发生阵风为基础, 仿真过程气动力及气动力矩的变化可分 3 个阶段 : 无侧风时行驶侧风环境中行驶以及再恢复为无侧风时行驶. 气动力及气动力

4 第 3 期谷正气等 : 集装箱货车高速侧风行驶稳定性分析 253 矩的变化通过一系列 step 函数来实现. F i =step(t,x 1,yi1,x 2,yi2)+ step(t,x 3,yi3,x 4,yi4)+ step(t,x 5,yi5,x 6,yi6), M i =step(t,x 1,yi1,x 2,yi2)+ step(t,x 3,yi3,x 4,yi4)+ step(t,x 5,yi5,x 6,yi6). (1) 式中 :i 为 d,y,l,f i 分别表示气动阻力 F d 气动侧力 F y 和气动升力 F l ;j 为 r,p,s,m j 分别表示侧倾力矩 M r 纵倾力矩 M p 和横摆力矩 M s ;t 为自变量, x 1,x 3 和 x 5 为起点处的自变量值,yi1,yi3,yi5 和 yj1,yj3,yj5 为起点处的函数值,x 2,x 4 和 x 6 为终点处的自变量值,yi2,yi4,yi6 和 yj2,yj4,yj6 为终点处的函数值. 考虑驾驶员反应时间一般为 0.3~1.0s, 参考机械传动的时间一般为 0.2~0.9s, 因此设置侧风作用时间 t 为 1.5s, 侧风稳定性仿真工况设置为先让集装箱货车匀速直线行驶, 第 2s 时施加侧风风级分别为 3~7 级时的气动力和气动力矩, 总的仿真时间 6s. 工况的变化及相关参数的设置通过编写样机驱动控制文件 DCF(drivercontrolfile) 实现. 选取侧向位移偏折角 ( 定义为牵引车与半挂车横摆角度的差值 ) 作为集装箱货车侧风稳定性评价指标侧向位移变化分析车辆在侧风作用下的侧向偏移量是评价车辆安全行驶最直观的指标. 侧向偏移过大, 容易引起车辆进入其它车道或者是引起同向行驶的车辆发生碰 [7] 撞. 仿真得出, 同一工况下, 牵引车的侧向偏移要大于半挂车的. 因此选择牵引车的侧向偏移作为评价的指标. 如图 5 所示. 从图中可以看出, 随着车速增大, 侧风强度的增大, 牵引车的侧向位移随之变大. 车速越高, 侧风的影响作用越大. 瞬态侧风响应的安全限值是利用一些假设测定制定出的. 当大于该限值时, 侧风响应 [1] 特性不只使人感到不舒适, 而且变得非常危险. 中国公路车道一般宽为 3.75m( 汽车行驶航线 ), 集装箱货车宽 m, 最大实际侧向偏移仅有 0.66m. 假设集装箱货车最初位于行驶路线的中央, 危险程度随集装箱货车侧向偏离航线而慢慢增加, 接近侧边时, 危险程度剧烈上升, 危险程度表示为 fg = æ 1 ç è1-e Z /E Zmax ö -1, (2) ø 图 5 车速 80,110km/h 牵引车侧向位移变化图 Fig.5 Lateraldisplacementschangesofthetractoratdiferent speeds 式中 :E Z 为实际侧向偏移量 ;E Zmax 为最大实际侧向偏移量. 从 E Z /E Zmax=0.9 开始, 危险性开始急剧上升. 若将其定义为危险极限值, 则意味着最大允许侧偏为 0.594m. 选择侧风作用 1.5s 时牵引车的侧向位移作为评价的指标. 牵引车各种工况下的侧向位移分别为 :80km/h,3~7 级侧风下分别为 0.103, 0.182,0.275,0.397,0.548m;90km/h,3~7 级侧风下分别为 0.114,0.211,0.335,0.471,0.632m; 100km/h,3~7 级侧风下分别为 0.125,0.241, 0.335,0.471,0.632m;110km/h,3~7 级侧风下分别为 0.139,0.272,0.428,0.616,0.823 m. 以 0.594mm 为控制界限, 则当风级为 6 级时, 集装箱货车的速度要维持在 100km/h 以内, 当风级为 7 级时, 速度要维持在 80km/h 以内, 侧向偏移才能保证在安全限值内偏折角变化分析集装箱货车后面铰链的半挂车和前面的牵引车在侧风作用下横摆角度差太大有可能发生折腰现象, 因此也以偏折角在一定的标准内来评价集装箱货车的侧风稳定性. 如图 6 所示. 从图中可以看出偏折角随车速的变大及风级强度的增大都呈增大趋势, 侧风强度对其变化影响更为明显. 集装箱货车高速行驶时程度很小的折腰现

5 254 北京理工大学学报第 34 卷箱货车安全行驶提供参考, 同时为车辆侧风下的行驶稳定性研究方法及流程提供了一种新的尝试和依据. 参考文献 : [1] 谷正气. 汽车空气动力学 [M]. 北京 : 人民交通出版社, 图 6 不同车速情况下偏折角变化图 Fig.6 Deflectionanglechangesatdiferentspeeds 象都会对其正常行驶造成很大影响. 对于其较稳定的正常行驶, 牵引车和半挂车之间的偏折角一般不超过 1.8. 若以 1.8 为控制界限, 则侧风风级在 7 级时, 集装箱货车的速度应维保持在 80km/h 以内 ; 侧风风级在 6 级时, 速度应保持在 100km/h 以内, 才能保证其行车安全. 综合考虑以上两个评价指标, 集装箱货车高速行驶时, 根据风级的强度, 就可采取严格的限速等措施, 提高集装箱货车的操纵稳定性, 以保证安全行驶. 3 结论选取侧向位移及偏折角作为集装箱货车驶稳定性的评价指标. 仿真结果表明侧风为 7 级时, 集装箱货车的速度应维保持在 80km/h 以内 ; 侧风为 6 级时, 集装箱货车的速度应保持在 100km/h 以内, 才能保证其行车安全. 仿真结果为侧风下集装 2005: GuZhengqi.Automotiveaerodynamics[M].Beijing: ChinaCommunicationsPress,2005: (inChinese) [2]Corin RJ,HeL,Dominy R G.A CFDinvestigation intothetransientaerodynamicforcesonovertakingroad vehiclemodels[j].journalofwindengineeringandiṉ dustrialaerodynamics,2008,96: [3]GuZhengqi,HeYibin.Numericalsimulationanalysisof sideaerodynamicforceofcarinthecourseofpassing heavy goods vehicle (HGV).SAE paper, [R].Detroit,USA:SAE,2007. [4] 江帆.Fluent 高级应用与实例分析 [M]. 北京 : 清华大学出版社,2008: Jiang Fan. Fluent advanced applications and case analysis[m ]. Beijing: Tsinghua University Press, 2008:11 45.(inChinese) [5]GilieronP,NogerC.Contributiontotheanalysisof transientaerodynamicefectsactingonvehicles.sae Paper, [R].Detroit,USA:SAE,2004. [6] 陈军.MSC.ADAMS 技术与工程分析实例 [M]. 北京 : 中国水利水电出版社,2008. ChenJun.MSC.ADAMStechnologyandexamplesof engineeringanalysis [M].Beijing:China WaterPower Press,2008.(inChinese) [7] 贺桂敏. 隧道内超车瞬态气动稳定性影响的数值仿真研究 [J]. 中南大学学报,2012,43(9): He Guimin. Numerical simulation of aerodynamic stabilityinfluenceofovertakingvehiclesintunnel[j]. Journalof Central South University,2012,43 (9): (inChinese) ( 责任编辑 : 孙竹凤 )

250 第 38 卷 [6-7] 笔者在前期研究的基础上, 改变弯道会车情况下两车的绝对速度相对速度和横向间距, 研究车辆行驶速度和间距对弯道交会两车瞬态气动特性的影响. 采用重叠网格的方法, 研究速度和间距改变情况下弯道会车的瞬态气动特性, 获得两车气动六分力的变化规律, 为进一步研究弯道会车提

250 第 38 卷 [6-7] 笔者在前期研究的基础上, 改变弯道会车情况下两车的绝对速度相对速度和横向间距, 研究车辆行驶速度和间距对弯道交会两车瞬态气动特性的影响. 采用重叠网格的方法, 研究速度和间距改变情况下弯道会车的瞬态气动特性, 获得两车气动六分力的变化规律, 为进一步研究弯道会车提 2017 年 5 月 May2017 第 38 卷第 3 期 Vol.38 No.3 doi:10.3969/j.isn.1671-7775.2017.03.001 速度和间距对弯道会车瞬态气动特性的影响王靖宇, 于旭涛, 惠政, 胡兴军 ( 吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室, 吉林长春 130022) 摘要 : 应用计算流体力学方法, 采用重叠网格策略, 对 2 个简化 DrivAer 模型的弯道会车进行了数值模拟,