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原文传递基于流固耦合的类车体模型风激振特性的数值模拟研究

论文题名：	基于流固耦合的类车体模型风激振特性的数值模拟研究
关键词：	流固耦合;风激振特性;时频转换;汽车空气动力学;行驶稳定性
摘要：	随着我国汽车工业的飞速进步及经济发展带来的高速公路的快速发展，各种类型的车辆尤其是货运卡车的应用范围日益广泛，工作环境日益复杂，兼之材料、零部件轻量化的飞速进步与行驶速度的逐步提升，导致车辆对外界物理条件的变化敏感度越来越高。其中，尤其是气动侧向力、侧倾力矩及横摆力矩对货车行驶稳定性的影响较为明显。该影响主要表现为以下两个方面：一方面为对整车侧偏特性的影响，即侧向力和横摆力矩的存在使得车辆维持直线行驶的能力减弱，产生侧向偏移。另一方面为对整车侧倾安全性的影响，即当气动力数值过大、作用方向改变或者其变化率较大时，高速行驶的车辆呈现侧倾趋势，甚至发生侧翻的可能性大大增加。该类现象需要引入流固耦合的方法研究，而此前的汽车领域的研究者把研究重点放在了模型试验验证与分析以及具体的零部件流固耦合上，对于气动六分力的时域频域波动受流固耦合效应的影响研究较少。因此，探究不同风向风速下流固耦合效应对各方向力与力矩振动频率的影响，有助于工程师们提高气动弹性问题的理解，启发相关的工程问题解决。　　针对Ahmed类车体模型，基于弹性力学与流体力学，使用流固耦合的方法，使用STAR-CCM+与ABAQUS联合仿真，探究各风速工况条件下模型气动六分力在时域与频域上的变化规律。具体研究内容分为三部分：　　第一，研究90°Ahmed模型在无侧风的流场中，流固耦合对气动六分力的影响。首先，非流固耦合的仿真对比验证了方案的可行性，同时表明，由于模型与流场的对称性，在无侧风工况下，气动六分力以正向阻力、升力与俯仰力矩为主。通过弹性模型的固有模态分析，以及流场仿真的结果对比，得到的结果为：在无侧风流场中，流固耦合效应改变了弹性支撑Ahmed模型气动六分力各参数频谱峰值出现的频率，使得峰值稳定在模型二阶固有模态的17Hz处，模型二阶固有模态为整体前后振动，振动方向与来流方向一致；在高雷诺数流场工况下，风速的变化并不影响弹性支撑Ahmed模型的振动模式，模型自身以二阶固有模态做前后整体振动，风速的改变只影响模型振动幅度的大小；　　第二，探究了不同速度定常侧风对弹性支撑Ahmed模型的影响。两种不同仿真方法得到的气动六分力时域与频域上曲线变化的不同表明，流固耦合使得气动六分力波动增大，升力与俯仰力矩尤为明显；各个工况下，模型受流场作用做横摆运动，虽然位移幅度有大小，但是各个时间段的运动模式都是相同的；模型振动耗散掉了一部分能量，流场结构由于流固耦合效应得到了简化，部分小尺度的涡结构消失，部分小尺度涡结构合并成为较大尺寸的涡结构；　　第三，分析了线性侧风与正弦侧风工况下，流固耦合效应对弹性支撑Ahmed模型的影响。结果表明，线性侧风工况下，升力与俯仰力矩会有瞬时变为0的情况发生。这意味着在实际工况下，车辆行驶时，流固耦合效应会导致下压力骤降，严重影响操作稳定性。正弦波动侧风工况下，模型位移大小也出现波动，极大值变化规律不明显，但是极小值随时间增加而增加。
作者：	李天鸿
专业：	工业设计工程
导师：	胡兴军
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2021