一种汽车侧风稳定性动态评估方法与流程

本发明涉及车辆评价方法领域，具体涉及一种汽车侧风稳定性动态评估方法。

背景技术：

1、汽车的侧风稳定性涉及汽车空气动力学、汽车多体动力学等多学科交叉，是关系车辆安全的一项重要指标。为了系统的评估车辆的侧风稳定性必须考虑到气动扰流、汽车行驶路径及车身姿态变化等因素的相互耦合作用。在这个耦合系统中，由于风载荷的不稳定性以及车辆的瞬时运动而产生的不稳定效应是危害行车安全最重要的因素。车辆侧风稳定性的研究方法主要有道路试验、风洞试验和数值模拟。

2、随着计算机技术的发展，数值模拟广泛应用于汽车的侧风气动特性及稳定性研究中。而在数值模拟中，针对气动载荷作用下汽车侧风稳定性问题的建模存在较大的局限性，车辆的运动轨迹是提前预设的，忽略了侧风环境下车身姿态瞬时变化对车身周围湍流结构的影响；在涉及稳定性的动力学数值计算中，气动载荷通过准静态数值模拟或风洞试验提前得到，拟合成样条曲线后，再将其作为边界条件施加给动力学模型求解计算，其并未考虑车辆运动过程风压中心改变带来的气动力的变化，这与真实环境下汽车的行驶状况不尽相同，对侧风稳定性的评价与实际情况偏差较大。

技术实现思路

1、本发明意在提供一种汽车侧风稳定性动态评估方法，通过考虑车身周围湍流运动与车体行驶姿态变化的相互影响，动态评估汽车侧风气动特性和横向稳定性。

2、本方案中的汽车侧风稳定性动态评估方法，包括：

3、步骤1，建立目标车辆的汽车空气动力学模型和多体动力学虚拟样机模型；

4、还包括：

5、步骤2，读取基于时间序列的侧风实测数据，并作为边界条件施加至流体域，计算汽车空气动力学模型于瞬态流场下的气动载荷，所述气动载荷包括气动力和气动力矩；

6、步骤3，建立路面模型模拟真实路面激励，基于路面模型进行运动仿真,求解差分拉格朗日方程，计算多体动力学虚拟样机模型的动力学响应参数，并更新车辆运动状态；

7、步骤4，在步骤2和步骤3中待流场和车辆运动达到稳定状态后，建立耦合计算通信方式，将步骤2中的气动载荷与步骤3中的动力学响应参数储存在共享文件夹，并在指定时间步进行双向数据交换，再将更新后的计算条件赋给流体力学控制方程和拉格朗日方程求解，得到表征目标车辆侧风稳定性的随时间变化的侧风响应数据。

8、进一步，所述步骤2中，通过urans方法计算目标车辆的算瞬态流场，所述气动载荷通过流体力学控制方程进行计算求解，引入湍流脉动速度求解时均化的n-s方程，对连续方程、动量方程作reynolds平均后，可得rans方程组为：

9、；

10、；

11、其中，为流体密度；为时间；、代表雷诺平均速度，分别为速度在正交坐标、的分量；表示雷诺平均压力；代表湍流平均后附加应力张量。

12、进一步，所述步骤2中，在rans方程组的前提下，基于boussinesq假设引入涡粘度模拟湍流耗散，利用湍流模型求解汽车空气动力学模型的气动力和气动力矩，湍流模型利用rng模型，表示为：

13、；

14、；

15、其中，和分别是和的普朗特数，==0.7194；常数=1.42，=1.68。

16、进一步，在步骤3中，将多体力学虚拟样机模型以描述车辆运动的若干构件和约束方程进行表示，基于全局坐标系下每个构件和约束方程可以表示为：

17、；

18、其中，为广义坐标变量，为变量的一阶导数，代表构件的动能，为作用力矩阵，为某个约束副里的第个约束方程，为拉格朗日乘子数组；

19、将每个构件和运动副的约束方程组合，得到汽车多体系统动力学的管理方程为：

20、；

21、其中，为约束方程矩阵。

22、进一步，所述步骤4中，将目标车辆在流体域的运动通过编写的自定义udf程序和动网格技术实现；

23、虚拟样机模型计算求解得到车辆运动参数将作为模型边界移动和旋转的速度参与流体力学控制方程的求解计算。

24、进一步，所述步骤4中，所述udf程序用于实现数据读写功能，所述udf程序通过不断扫描共享文件夹读取汽车的动力学响应参数，并将该时间步仿真得到的气动力写入共享文件夹。

25、进一步，所述步骤4中，通过matlab/simulink读取当前时间步已经存储的气动力和力矩数据，导入多体力学虚拟样机模型，求解差分拉格朗日方程更新车辆运动状态，然后将计算得到的当前时间步的车辆运动参数进行存储，并指定给汽车空气动力学物理模型准备下一时间步的求解，直至计算收敛并到达设置的仿真时间。

26、进一步，所述流体计算域的时间步需通过库朗数、计算域最小网格尺寸及流体速度确定。

27、与现有技术相比，本方案的有益效果是：

28、本方案利用动态耦合分析方法，考虑了仿真过程中瞬时气动载荷和车辆实时运动响应的信息交互，在这种方法下，不稳定的流场信息可以被充分捕捉，车辆在真实侧风环境下的运动情况也得以再现，极大地提高了仿真与真实场景的接近程度，提高仿真结果表征现实状况的准确性。

技术特征：

1.一种汽车侧风稳定性动态评估方法，包括：

2.根据权利要求1所述的一种汽车侧风稳定性动态评估方法，其特征在于：所述步骤2中，气动载荷通过流体力学控制方程进行计算求解，引入湍流脉动速度求解时均化的n-s方程，对连续方程、动量方程作reynolds平均后，可得rans方程组为：

3. 根据权利要求2所述的一种汽车侧风稳定性动态评估方法，其特征在于：所述步骤2中，在rans方程组的前提下，基于boussinesq假设引入涡粘度模拟湍流耗散，利用湍流模型求解汽车空气动力学模型的气动力和气动力矩，湍流模型利用rng 模型，表示为：

4.根据权利要求1所述的一种汽车侧风稳定性动态评估方法，其特征在于：在步骤3中，将多体力学虚拟样机模型以描述车辆运动的若干构件和约束方程进行表示，基于全局坐标系下每个构件和约束方程可以表示为：

5.根据权利要求1所述的一种汽车侧风稳定性动态评估方法，其特征在于：所述步骤4中，将目标车辆在流体域的运动通过编写的自定义udf程序和动网格技术实现；多体力学虚拟样机模型计算求解得到车辆运动参数将作为模型边界移动和旋转的速度参与流体力学控制方程的求解计算。

6.根据权利要求5所述的一种汽车侧风稳定性动态评估方法，其特征在于：所述步骤4中，所述udf程序主要用于实现数据读写功能，所述udf程序通过不断扫描共享文件夹读取汽车的动力学响应参数，并将该时间步仿真得到的气动力写入共享文件夹。

7.根据权利要求6所述的一种汽车侧风稳定性动态评估方法，其特征在于：所述步骤4中，通过matlab/simulink读取当前时间步已经存储的气动力和力矩数据，导入多体力学虚拟样机模型，求解差分拉格朗日方程更新车辆运动状态，然后将计算得到的当前时间步的车辆运动参数进行存储，并指定给汽车空气动力学物理模型准备下一时间步的求解，直至计算收敛并到达设置的仿真时间。

8.根据权利要求7所述的一种汽车侧风稳定性动态评估方法，其特征在于：所述时间步通过库朗数、计算域最小网格尺寸及流体速度确定。

技术总结
本发明涉及车辆评价方法领域，具体涉及一种汽车侧风稳定性动态评估方法，包括：建立目标车辆的汽车空气动力学模型和多体动力学虚拟样机模型；加载瞬时实测侧风数据，并计算汽车瞬态气动力和气动力矩；加载路面信息计算多体动力学虚拟样机模型的车辆瞬时动力学响应；将获取的气动载荷与动力学响应参数在指定时间步进行双向数据交换，并在下一时间步对计算条件更新，再将更新后的计算条件赋予流体力学控制方程和拉格朗日方程，进行汽车空气动力学与汽车动力学动态耦合求解，得到车辆随时间变化的侧风响应数据，用以动态评估汽车的侧风稳定性。本发明能真实反映侧风环境下汽车气动力及车身运动姿态的变化，精准评估侧风环境下高速汽车气动稳定性。

技术研发人员：张倩文,徐磊,徐胜金,王庆洋,彭超
受保护的技术使用者：中国汽车工程研究院股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17