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原文传递高速车辆侧风稳定性的瞬态耦合仿真及主动控制研究

论文题名：	高速车辆侧风稳定性的瞬态耦合仿真及主动控制研究
关键词：	高速车辆;侧风稳定性;流固耦合;控制策略
摘要：	高速行驶的车辆姿态易受侧风环境影响发生改变，导致车体产生流致振动现象，严重危害车辆行驶的安全性和舒适性。获取车辆在强侧风环境中行驶的气动特性，分析侧风环境下的车辆系统动力学响应的变化规律，进行车辆侧风稳定性优化研究，具有重要意义。然而，现阶段汽车侧风稳定性研究多局限于简化的侧风环境和传统的非流固耦合数值仿真，结果难以反映车辆真实行驶状态下侧风稳定性规律。针对以上问题，依托国家自然科学基金面上项目“基于流固双向强耦合的车辆风激振特性对侧风行驶稳定性的影响研究”，本文以MIRA车辆模型和DrivAer模型为研究对象，采用数值仿真与风洞试验相结合的方法，对车辆复杂侧风环境的侧风稳定性展开深入研究，主要内容如下：　　第一，建立流固耦合数值仿真方法和风洞试验系统。数值仿真方面，根据任意拉格朗日欧拉法确定流体节点位置坐标和气动力合力施加在固体域的节点坐标，通过流固耦合交界面上位移与力的平衡关系，确定流固耦合数值仿真过程中数据传递的物理参量，开发流固耦合数据传递接口，控制传递变量和传递频率，实现了车辆-空气双向流固耦合计算。试验方面，搭建了由汽车风洞、气弹耦合模型以及测控系统组成的流固耦合风洞试验系统，利用车辆模型悬架替代装置，改进了传统车辆模型风洞试验忽略车身振动的缺陷，准确反映车身运动状态。通过风洞试验数据与流固耦合数值仿真结果一致性对比分析，验证了仿真方法的准确性。　　第二，通过数值仿真方法分析流固耦合效应下车辆的气动特性和流致振动特性。气动特性分析结果表明：流固耦合效应对车辆气动升力影响显著。从流场结构分析差异产生的根本原因：流固耦合效应改变车身姿态，进而影响车底部流速和压力，导致气动升力变化。车辆流致振动特性的频谱分析结果表明：气动升力一阶频率与车体结构固有频率相近，二阶频率为气动升力的自振频率。车身振动的唯一主频即为车体结构固有频率。流致振动主频幅值的主要影响因素为气动激励大小以及流固共振频率。　　第三，探究不同侧风下的车辆气动特性与稳定性规律。建立随机脉动风模型用以构建真实侧风环境，仿真分析恒定侧风下的车辆流固耦合气动特性，探究时变侧风下车辆行驶速度、侧风风速与侧风类型对侧风稳定性的影响。基于本征正交分解法（POD）构建降阶模型，提取流场结构特征。研究结果表明：随车速和风速的增加，车辆的侧风稳定性降低，侧风速度对车辆稳定性的影响程度高于车速；侧风下的车身运动以侧向运动和横摆运动为主；侧风类型对车辆侧风稳定性的影响大小顺序为：伪阶跃＞正弦＞线性，由于伪阶跃侧风流场中的大尺度涡结构对车辆结构作用力较大，显著影响车辆气动分力幅值。　　第四，侧风环境下高速车辆的系统动力学特性研究。基于车辆系统动力学和汽车空气动力学联合仿真分析侧风下车辆的系统动力学响应，结果表明：随着车速增加，车辆侧向位移随之增大，将增大驾驶员的驾驶强度，降低侧风稳定性和安全性；伪阶跃侧风工况的动力学响应量大于其他侧风类型，此类侧风工况的侧风稳定性较低。探究质心纵向位置、悬架刚度阻尼和路面摩擦系数等因素对车辆侧风稳定性的影响规律，结论表明:将质心设置距离前轴较远的位置，提高悬架刚度和路面摩擦系数可改善车辆侧风稳定性，车轮垂向载荷在侧风作用下重新分配，低摩擦路面无法提供足够的侧向力车辆即发生侧滑。提出基于序关系指标权重确定法的侧风稳定性评价方法，为确定强侧风环境下车辆行驶的危险工况和安全速度阈值提供了依据。　　第五，开展车辆侧风稳定性的控制研究。以车辆的悬架刚度、轮胎刚度、轮距以及轴距作为设计变量，基于优化的拉丁超立方抽样方法，建立Kriging近似模型并采用多岛遗传算法在设计空间中寻找最优解。研究结果表明：近似模型具有良好精度，优化方案的优化效果达到5%以上。同时，基于主动悬架的ECS技术，设计车身姿态模糊控制系统和悬架垂向力控制算法，充分发挥主动悬架的控制作用，经控制后车辆侧风稳定性指标如俯仰角加速度、侧倾角加速度、垂向加速度、横摆角度和侧向位移均获得一定程度的增益。　　本文对各种侧风工况下的高速车辆侧风稳定性规律展开了系统性研究，为车辆侧风稳定性控制和产品开发提供理论研究方法和技术支撑。
作者：	王泽伟
专业：	机械工程(车身工程)
导师：	胡兴军
授予学位：	博士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022