案例分享 | 基于Adams的侧风稳定性极端工况仿真

摘要

足够侧风稳定性已成为汽车试验测试的关键标准。在追求轻量化和提高燃油效率的同时，汽车设计师正致力于减轻车辆结构重量，提升空气动力学性能以减少尾气排放。然而，这些设计变革可能导致车辆在面对高强度侧风响应时的稳定性下降。本文提出了一种有效性建模方法，通过结合计算流体动力学（CFD）与多体动力学（MBD）模拟，预测极端侧风情况下车辆的偏航响应。这种方法在保持精度的同时优化了计算资源的使用，为福特汽车提供了识别潜在空气动力学问题的新工具，支持早期设计调整并减少全尺寸样机动态测试的需要。

引言与背景

在设计影响侧风稳定性的车辆过程中，道路实验提供了车辆操稳特性的基础信息，但为了理解和预测非典型工况（如强烈阵风）引起的正交风力，需要更加严格的测试环境。传统的物理模型实验设计昂贵，仿真到全尺寸样机提供的模拟信息也受到一定限制。为应对这些挑战，本文介绍了福特澳大利亚汽车公司开发的一种结合CFD和MBD的仿真方法，用于预测车辆在极端侧风工况下的稳定性响应。该方法概述了其工程价值、实现细节及其与物理测试方法的比较，展现了在汽车设计流程中实现高效和精确预测的重要性。

方法与实现


工程操作中心的联合仿真




在实施此方法时，CFD模型采用重叠网格技术，以SFX as in the CFD (计算流体动力学) 部分作为侧风影响的模型，并在Adams Chassis中构建多体动力学模型。CFD结果，即空气力与力矩，被精确地施加给Adams模型进行横向、侧倾和侧向加速度的仿真预测。虽然考虑到侧风对车辆平移和俯仰的影响较小，因此模型并未详细模拟这种变形，但这显著降低了模型的复杂性，优化了计算效率。这种方法在这三种不同的福特车型——Everest、Escort和BMax上的应用，展示了其准确性和应用范围的灵活性。

数值验证与实测对比

首先在福特的比利时洛默尔试验场进行了一系列侧风工况的物理测量，特别是通过设置扇风机阵列在特定路径上产生高强度且可重复的侧风，确保了测试条件的严格性和一致性。所收集的数据包括偏航速度、侧倾速度和横向加速度等关键参数，以便与仿真结果进行详细的对比分析。

实验设计与数据收集

测试设计强调了车辆在固定方向盘速度下的直行记录，随后在精确的时间点触发，记录三秒钟的数据，以捕捉进入和退出侧风时的动态响应。进行至少六个实验周期以确保数据统计显著性；还有一些基准试验，仅使用扇风机而无负载车辆，旨在评估道路的潜在影响。

结果与讨论

通过一系列性能指标的对比，联合CFDMBD仿真显示了在预测车辆响应方面的优势，特别在计算非稳态条件下（如卷积风）性能调整时。实验结果表明，与准稳态方法相比（方法简称为UFF，指代假设风力数据静态不变的简化计算），耦合仿真在车辆偏航角速度、侧倾角速度与横向加速度方面提供了更加准确和一致的结果。这种性能增强不仅反映了联合仿真对极端侧风条件下车辆动态行为理解的深入，也反映了方法的全面性与实用性。

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