计及侧风的某跑车高速气动稳定性研究

论文摘要

汽车空气动力特性是汽车的重要性能,侧风稳定性是汽车空气动力特性的一个重要组成部分。车辆高速行驶过程中，若受到风速较高的侧风作用，车身周围的流场发生急剧的变化，造成汽车在行驶时发生一些难以预料的行为，如横摆、侧翻、发飘等，其行驶安全性会受到极大的威胁，操纵特性和乘坐舒适性都会显著降低；同时，当今汽车的低阻造型设计、轻量化趋势使得汽车的侧风敏感性问题显得越来越重要。有鉴于此，本文开展了某跑车的高速气动侧风特性研究。本文以汽车空气动力学为理论基础，运用数值模拟仿真方法，研究某款跑车在侧风作用下的气动特性变化，建立跑车的多体动力学模型，分析及评价车辆侧风作用下的直线行驶稳定性，为汽车在实际侧风环境下的行驶稳定性研究提供了重要参考依据。首先，采用数值模拟方法，对跑车稳态侧风作用下的气动特性进行分析，结果表明，跑车的气动力系数、气动力以及截面上的流场在不同迎风角的侧风作用下均有不同程度的变化。其次，针对非稳态侧风的模拟，编写UDF程序，实现了侧风速度大小随时间变化的侧风作用下的汽车外流场瞬态数值模拟。结果表明，相同车速和风速条件下，侧风速度变化率大时对应的气动阻力和气动侧力较大，而气动升力反而小。最后，在ADAMS软件平台上，建立了侧风环境下仿真所需要的整车多体动力学模型。运用侧风稳定性理论，对侧风作用下汽车直线行驶能力进行了仿真分析。结果表明，当无侧风作用时，跑车具有较好的直线行驶能力；而在强侧风作用下时，汽车需要降低行驶车速来保证安全行驶的侧向位移量。综合以上工作，本文揭示了车辆高速行驶在侧风作用中的气动特性变化规律，以及其对高速汽车操纵稳定性的影响，为深入开展汽车侧风稳定性的研究提供了重要的借鉴依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.2 国内外研究历史及现状
• 1.2.1 国外研究历史与现状
• 1.2.2 国内研究历史与现状
• 1.3 主要研究方法
• 1.3.1 风洞实验法
• 1.3.2 道路试验法
• 1.3.3 数值计算法
• 1.4 课题研究的内容
• 第2章 汽车空气动力学特性
• 2.1 气动六分力
• 2.2 湍流理论及模拟方法
• 2.2.1 基本控制方程
• 2.2.2 湍流模拟方法
• 2.3 侧风对汽车操纵稳定性的影响
• 2.3.1 气动力对操纵稳定性的影响
• 2.3.2 侧风干扰
• 2.4 本章小结
• 第3章 稳态侧风气动特性分析
• 3.1 稳态侧风数值模拟研究
• 3.1.1 数值仿真方法
• 3.1.2 侧风仿真流程
• 3.1.3 几何模型的处理
• 3.1.4 域的处理
• 3.1.5 网格的划分
• 3.1.6 边界条件及求解参数设置
• 3.1.7 数值模拟方案
• 3.2 数值模拟计算结果及分析
• 3.2.1 近壁面网格 y+分析
• 3.2.2 分析平面的定义
• 3.2.3 气动力系数和气动力对比分析
• 3.2.4 车身表面静压分布的对比分析
• 3.2.5 流场速度分布对比分析
• 3.2.6 车身尾部流场对比（X1 平面）
• 3.3 本章小结
• 第4章 非稳态侧风数值模拟分析
• 4.1 基于 UDF 的非稳态数值模拟
• 4.1.1 用户自定义函数（UDF）简介
• 4.1.2 UDF 的功能
• 4.1.3 UDF 的编写
• 4.2 非稳态侧风数值模拟研究
• 4.2.1 非稳态侧风数值模拟方案
• 4.2.2 气动特性分析
• 4.2.3 车身左右表面压力分布的变化
• 4.2.4 流场静压分布变化
• 4.2.5 流场速度分布变化
• 4.3 本章小结
• 第5章 基于多体动力学模型的侧风稳定性分析
• 5.1 跑车整车模型的建立
• 5.1.1 轮胎系统
• 5.1.2 前悬架系统
• 5.1.3 后悬架系统
• 5.1.4 转向系统
• 5.1.5 制动系统
• 5.1.6 发动机系统
• 5.1.7 车身系统
• 5.1.8 整车系统模型
• 5.2 跑车侧风稳定性分析
• 5.2.1 直线行驶性仿真分析
• 5.2.2 侧风稳定性仿真分析
• 5.3 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A（攻读学位期间发表的论文）