基于气动与系统动力双向耦合的汽车侧风稳定性研究

发布时间：2017-09-17 23:34

  本文关键词：基于气动与系统动力双向耦合的汽车侧风稳定性研究

  更多相关文章： 汽车空气动力学 汽车动力学 双向耦合 单向耦合 驾驶员模型 AFS前轮主动转向 汽车侧风稳定性控制

【摘要】：2015年底,我国的高速公路总里程达12.3万公里,世界第一,同时中国地域辽阔,地形地貌差别极大,很多地区的自然风环境相当恶劣。随着高速公路的拓展,实际生活中遭遇危险侧风的频次也越来越多。侧风会影响汽车行驶稳定性,由此而引发的安全事故屡见不鲜。因此,针对高速行驶汽车的侧风稳定性研究具有切实的意义。传统针对侧风环境下高速行驶车辆气动特性以及稳定性的研究,大多是离线研究:流体域中的汽车模型只作为几何模型进行计算,将得到的气动力加载到其他的动力学软件中计算汽车的稳定性(单向耦合)。实际汽车在侧风环境高速行驶时,气动特性与汽车的运动是息息相关的、相互作用的:汽车既有几何特性,又有动力学特性,气动特性的改变会造成汽车运动状态的变化,反之亦然。双向耦合方法,能够耦合汽车空气动力学与系统动力学,对于汽车侧风气动特性及稳定性的研究有着重要意义。行车安全通常是人、车辆、道路、环境、交通管理等多要素统一作用的结果。美国针对多件交通事故调查发现:当汽车行驶在复杂、危险环境时,88%的交通事故是由不安全动作所致,12%是由不安全环境所致,如阵风、雨雪天气等。驾驶员在行车安全中扮演着重要的角色,当遭遇突如其来的侧风时,驾驶员能否快速正确的反应直接影响着汽车行驶安全性。但是由于生理因素,驾驶员的响应会受到一定的限制。在侧风作用时,如何帮助驾驶员很好的控制汽车,以实现良好的汽车行驶稳定性控制研究有着实际意义。针对上述问题,本文做了如下研究内容:(1)对侧风作用下的某轿车1:4缩比模型进行稳态风洞试验、不同湍流模型及侧风模拟方法的数值计算,以验证计算方法的准确性。对侧风作用下的该轿车实车模型进行稳态气动特性数值计算,研究风速、偏角等因素对稳态汽车侧风稳定性的影响。(2)用北京地区历年自然风的极致分布,确定四种阵风模型的峰值,基于二自由度模型,对此四种阵风模型下的高速汽车瞬态气动特性及稳定性作传统的单向耦合分析,确定最危险的阵风模型。(3)讨论了汽车侧风稳定性指标,建立了汽车的二自由度、五自由度模型、驾驶员模型、魔术轮胎模型。对汽车空气动力学及系统动力学双向耦合方法做了简介,基于Fluent与Matlab分别建立基于二自由度及五自由度的双向耦合模型。在稳态侧风作用下,基于二自由度无驾驶员作用耦合模型,对比分析单向耦合及双向耦合。在危险阵风作用下,基于二自由度及五自由度有驾驶员作用耦合模型,进行双向耦合计算。(4)对影响汽车侧风安全行驶的部分因素进行分析。对造成侧风行驶汽车不安全的原因进行剖析,提出AFS前轮主动转向控制策略,对汽车侧风行驶安全性进行控制。
【关键词】：汽车空气动力学 汽车动力学 双向耦合 单向耦合 驾驶员模型 AFS前轮主动转向 汽车侧风稳定性控制
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U461.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 研究背景和意义11-12
• 1.2 国内外研究历史与现状12-15
• 1.2.1 车侧风气动特性及稳定性的研究12-14
• 1.2.2 双向耦合研究以及驾驶员模型14-15
• 1.2.3 汽车侧风行驶稳定性控制15
• 1.3 本文研究内容15-17
• 第2章 侧风下高速汽车气动特性基础研究17-34
• 2.1 试验及仿真基础研究17-23
• 2.1.1 汽车缩比模型风洞试验方案18
• 2.1.2 湍流模型简介18-20
• 2.1.3 湍流模型适应性研究20-22
• 2.1.4 侧风模拟方法研究22-23
• 2.2 高速汽车稳态侧风气动特性23-27
• 2.2.1 计算工况安排24
• 2.2.2 汽车稳态侧风气动特性计算结果24-27
• 2.3 阵风模型作用下高速汽车瞬态侧风气动特性27-33
• 2.3.1 汽车安全行驶侧风估算28-30
• 2.3.2 某地区自然风极值拟合30-31
• 2.3.3 自然阵风模型及仿真工况31
• 2.3.4 瞬态工况计算31-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第3章 侧风作用下车辆动力学基础研究34-50
• 3.1 车辆行驶稳定性评价指标34-37
• 3.1.1 侧偏位移34-35
• 3.1.2 侧滑极限35
• 3.1.3 侧倾极限35-36
• 3.1.4 俯仰极限36-37
• 3.2 侧风作用高速汽车动力学模型37-46
• 3.2.1 坐标系37
• 3.2.2 坐标系变换37-38
• 3.2.3 轮胎模型38-39
• 3.2.4 二自由度模型39-41
• 3.2.5 侧风作用下车辆5自由度动力学模型41-44
• 3.2.6 状态空间44-46
• 3.3 侧风作用下驾驶员模型46-48
• 3.3.1 驾驶员对侧风干扰的响应46-47
• 3.3.2 驾驶员对车辆路径的反馈预测控制47-48
• 3.3.3 侧风干扰下汽车直线行驶驾驶员模型48
• 3.4 本章小结48-50
• 第4章 汽车空气动力学与系统动力学耦合计算50-65
• 4.1 耦合方法50-55
• 4.1.1 空气动力学与系统动力学单向耦合51
• 4.1.2 空气动力学与系统动力学双向耦合51-55
• 4.2 耦合计算55-64
• 4.2.1 计算工况55
• 4.2.2 计算结果及分析55-64
• 4.3 本章小结64-65
• 第5章 高速汽车侧风行车安全控制65-76
• 5.1 汽车参数对高速汽车侧风稳定性的影响65-69
• 5.1.1 风压中心的影响65-66
• 5.1.2 汽车质心的位置影响66-67
• 5.1.3 轮胎侧偏特性的影响67-68
• 5.1.4 悬架刚度与阻尼的影响68-69
• 5.2 汽车侧风稳定性控制69-74
• 5.2.1 AFS控制策略70-71
• 5.2.2 阵风工况控制结果71-74
• 5.3 本章小结74-76
• 总结与展望76-78
• 参考文献78-82
• 致谢82-83
• 附录A (攻读学位期间发表的论文)83

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本文编号：872064