基于流固耦合的汽车气动及风激振特性研究

发布时间：2017-10-26 14:02

  本文关键词：基于流固耦合的汽车气动及风激振特性研究

  更多相关文章： 空气动力学 流固耦合 数值仿真 风激振 风洞实验 安全性

【摘要】：环境风产生的气动力对高速行驶车辆的安全性、稳定性、舒适性都有着重要的影响,在车身设计、系统动力学、悬架设计等研究中都需要重点考虑,目前的科学研究很少考虑车身弹性元件的振动对流场结构的影响问题。本文主要对国内外关于流固耦合方法在飞机、火车、汽车上的应用进行深入研究,基于流固耦合、计算流体、结构分析、振动等基础理论,寻找出适用于本文研究内容的数值仿真方法;然后通过引入考虑流固耦合效应的数值仿真和风洞实验对此仿真方案进行对比验证,确定出适用本文的最佳仿真方案;最后将已确定的仿真方案应用到整车缩比模型数值仿真之中,进行了不同时速下的整车振动、不同时速下的阻风板振动、时变侧风下的车辆侧滑和侧倾三种常见问题的实际工程应用。具体研究内容概括如下:第一,本文提出考虑流固耦合效应的研究方法,首先进行基于MIRA模型的气动和风激振特性数值仿真研究,此数值仿真是将流体仿真和结构仿真两部分通常独立的计算体系进行耦合,然后通过风洞实验技术(气动力测量技术、位移测量技术、PSI压力扫描技术等)进行实验验证,两种方法的结果偏差基本在±10%以内,对于实际工程应用来说,此数值仿真方法具有一定的可行性和有效性,对工程实践有一定的指导意义。通过流场结构分析发现,流固耦合效应对气动升力的影响比较明显,其影响机理主要是因为车身或者附件的位置改变而使流场中脱落涡或者分离涡的拓扑结构发生改变。第二,本文分别对不同时速下的整车振动和阻风板振动进行仿真研究,得到的仿真结果表明:(1)有无考虑流固耦合效应的数值仿真在气动升力方面差距较大,随着车速的增加,风激振效应也随之增强;(2)对于整车流场分析,气动升力在140km/h的差异率高达38%左右,非耦合的仿真结果相对偏小,依据此结果进行汽车设计开发有偏于冒险的倾向;(3)风激振现象容易引起弹性板件阻风板的振动,此现象不仅会影响阻风板的气动性能,而且严重时会造成阻风板损坏。第三,通过对三种不同的时变侧风(线性侧风、伪阶跃侧风、正弦侧风)进行深入研究,研究发现:(1)线性侧风相对影响较小,有无耦合的仿真方法差异不大;(2)高速伪阶跃侧风将会产生瞬时危险工况,对车辆的稳定性和驾驶员技术水平要求较高,容易在高速行驶过程中产生危险;(3)有无耦合的数值仿真结果在气动升力方面差距较大,无耦合的数值仿真使汽车设计工作更加偏向冒险,当高速行驶车辆长时间处于正弦侧风工况时,危险性将会提高,应该避免在此工况下长时间高速行驶。总之,本文从基础理论、数值仿真、风洞实验三个方面对比研究有无耦合的数值仿真方法的区别,对于传统无耦合CFD预测的气动升力要比实际情况偏小,会对自动驾驶和悬架自动调节系统的危险情况预判产生影响,而流固耦合的CFD数值仿真更能贴近实际情况,为智能车的自动驾驶和自动调节悬架提供更精确的参考数据。
【关键词】：空气动力学 流固耦合 数值仿真 风激振 风洞实验 安全性
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U461.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-20
• 1.1 研究背景及意义12-15
• 1.1.1 背景12-13
• 1.1.2 研究目标13
• 1.1.3 定义13-14
• 1.1.4 研究瓶颈14
• 1.1.5 新方法的提出14-15
• 1.2 国内外研究现状15-18
• 1.2.1 国内研究现状15-16
• 1.2.2 国外研究现状16-18
• 1.3 本文的研究方法18
• 1.4 本文的研究内容18-19
• 1.5 本章小结19-20
• 第2章 数值仿真参数的影响性分析及方案确定20-34
• 2.1 气流的基本假设20
• 2.2 无耦合外流场数值仿真20-27
• 2.2.1 几何模型20-21
• 2.2.2 模型网格方案21-22
• 2.2.3 网格无关性分析22-26
• 2.2.4 数值仿真边界条件的选择26
• 2.2.5 湍流模型的选择26-27
• 2.3 风洞实验验证27-31
• 2.3.1 汽车风洞28
• 2.3.2 实验方法和内容28-31
• 2.4 CFD数值仿真与风洞实验结果对比验证31-32
• 2.5 本章小结32-34
• 第3章 高速汽车流固耦合数值仿真的理论研究34-44
• 3.1 空气动力学数学理论34-35
• 3.1.1 质量守恒方程34
• 3.1.2 动量守恒方程34-35
• 3.2 高速汽车动力学数学模型35
• 3.3 流固耦合理论35-36
• 3.3.1 数学理论36
• 3.4 动网格技术36-38
• 3.4.1 有限体积法中的动网格求解原理37
• 3.4.2 动网格更新原理37-38
• 3.5 缩比模型相似理论38-40
• 3.5.1 相似的定义38
• 3.5.2 相似定理与准则38
• 3.5.3 相似准则的推导方法38-40
• 3.6 数据分析理论40-41
• 3.6.1 伯努利定理40
• 3.6.2 傅里叶分析40-41
• 3.7 车辆行驶安全性、稳定性和舒适性的评价41-42
• 3.7.1 定义41-42
• 3.7.2 评价依据42
• 3.8 本章小结42-44
• 第4章 MIRA模型的流固耦合数值仿真研究44-64
• 4.1 流固耦合的仿真计算理论44-47
• 4.1.1 固体模型有限元分析44
• 4.1.2 流体模型求解理论44-45
• 4.1.3 流固耦合数值仿真计算的实现方法45-47
• 4.2 基于流固耦合的MIRA数值仿真计算47-62
• 4.2.1 物理模型及网格划分47-49
• 4.2.2 流固耦合仿真参数设置49-51
• 4.2.3 MIRA气动特性分析51-56
• 4.2.4 MIRA风激振特性分析56-62
• 4.3 本章小结62-64
• 第5章 MIRA模型的流固耦合风洞实验验证64-72
• 5.1 MIRA模型的风洞实验64-67
• 5.1.1 实验模型64-65
• 5.1.2 实验设备65-66
• 5.1.3 实验方案66
• 5.1.4 阻塞比的影响与修正66-67
• 5.1.5 雷诺数影响67
• 5.2 MIRA模型的数值仿真与风洞实验对比研究67-71
• 5.2.1 实验数据误差分析67-68
• 5.2.2 实验结果与分析68-71
• 5.3 本章小结71-72
• 第6章 流固耦合方法的工程应用72-98
• 6.1 基于流固耦合的整车数值仿真计算72-89
• 6.1.1 物理模型及网格划分72-74
• 6.1.2 流固耦合仿真参数设置74
• 6.1.3 整车气动特性分析74-81
• 6.1.4 整车风激振特性分析81-89
• 6.2 基于流固耦合的阻风板数值仿真计算89-97
• 6.2.1 物理模型及网格划分89-91
• 6.2.2 流固耦合仿真参数设置91
• 6.2.3 阻风板气动特性分析91-95
• 6.2.4 阻风板的风激振特性分析95-97
• 6.3 本章小结97-98
• 第7章 基于流固耦合的时变侧风高速汽车气动特性研究98-114
• 7.1. 物理模型及网格划分98-101
• 7.1.1 固体模型98-99
• 7.1.2 流体模型99-101
• 7.2 流固耦合仿真参数设置101
• 7.3 仿真结果对比分析101-113
• 7.3.1 整车气动特性分析101-108
• 7.3.2 整车风激振特性分析108-113
• 7.4 本章小结113-114
• 第8章 总结与展望114-116
• 8.1 全文总结114-115
• 8.2 创新点115
• 8.3 展望115-116
• 参考文献116-120
• 作者简介和科研成果120-121
• 致谢121

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 黄硕;;基于CFD技术的轿车外流场数值模拟及优化[J];中国科技论文;2013年11期

2 崔涛;张卫华;王琰;;侧风环境下列车高速交会流固耦合振动安全性分析[J];振动与冲击;2013年11期

3 余皓;杨志刚;朱晖;;两厢车空气动力阻力数值解与网格无关性研究[J];计算机仿真;2013年01期

4 熊超强;臧孟炎;范秦寅;;低阻力汽车外流场的数值模拟及其误差分析[J];汽车工程;2012年01期

5 江洪;唐鹏;;轿车车身外流场的CFD仿真与实验验证[J];重庆交通大学学报(自然科学版);2011年03期

6 张英朝;张U，

本文编号：1098970