作者：Neil Lewington, Lauri Ohra-aho, Olav Lange,
Klaus Rudnik, Ford Motor Company
Hemanth Kolera, MSC Software
?足夠的側風穩定性已經成為車輛試驗測試過程中的重要標準。特別是在追求輕量化時代，人們正在設計更輕巧的、空氣動力學效率更高的車輛，提高燃油經濟性并減少尾氣排放。進一步減輕結構重量和提升空氣動力學的車輛設計可能會削弱車輛對側風響應的穩定性能力。如何實現兩者的折衷，需要空氣動力學和車輛動力學工程師努力，使得車輛操縱性與空氣動力學性能同樣出色。
道路試驗可提供典型工況條件下車輛操穩特性的參考信息，但需要更加嚴格的測試條件以了解非典型工況事件（例如強陣風）的影響。在這些可控實驗中，使用一排風扇或安裝在軌道附近的單個噴嘴產生恒定的側風速度。雖然這種基于物理原型的實驗設置是驗證車輛對側風響應的有用方法，但其作為設計工具的價值有限。試驗車輛的物理樣機制造很昂貴，并且直到整車研發周期的后期提供才可提供，此時整車設計若進行大規模更改，其制造成本和時間成本壓力巨大。此外，收集關于確切流動特征的顆粒信息也是一項挑戰，這導致了這些全尺寸實驗裝置的具體實施問題。
最近，福特澳大利亞汽車公司的一組研究人員開發了一種可預測的、高保真的建模方法，使用Adams仿真預測車輛對側風工況的穩定性響應。（Neil Lewington，2017年）。本文討論了其方法及為福特汽車開發過程增加的工程價值。
考慮到物理測試的局限性，福特汽車在仿真開發流程中采用準穩態分析的靜態耦合方法，并且替代全尺寸的實車測試。在這種方法中，使用空氣動力學系數來計算風力，并將其用于Adams車輛動力學仿真近似計算車輛對側風的響應。盡管已知這種方法可為緊湊型和中型車輛提供令人可接受的結果，但無法預測極端的側風工況下車輛所受的作用力和力矩。此外，仿真誤差與車輛的尺寸成比例。
為了解決這些工程問題，開發了一種更高保真度的工程仿真方法。通過計算流體動力學（CFD）仿真計算出的空氣動力被施加到多體動力學（MBD）仿真上，來模擬車輛對側風工況的響應。Adams用于車輛動力學仿真。CFD工具可仿真流場。CFD模型的輸出，即空氣作用力和力矩，施加于Adams模型，以計算側風工況下的橫擺、側傾和側向加速度響應。由于側風對車輛的整體操縱特性的影響有限，并且對計算資源需求的不斷增加，因此未計算車輛在側風工況下的平移和俯仰運動。
利用Ford Everest（大型運動型多用途車），Ford Escort（中型轎車）和Ford B-Max（小型多功能車）對CFD和MBD聯合仿真方法進行測試。鑒于其獨特的車身風格，它們對側風工況有不同的車輛響應。
圖 1 仿真車輛平臺
Everest和Escort是新的平臺，用以標定模型的參考數據較少，這給工程師帶來了額外的挑戰。根據從比利時洛默爾的福特試驗場獲得的測量數據對建模方法進行了驗證。同時全尺寸的風洞試驗也用于靜力和力矩的標定。
圖 2 比利時福特洛默爾試驗場的物理側風發生器測試設施。
（A）側面風力發電機風扇陣列
（B）測試車輛路徑
測試車輛以恒定速度沿特定軌跡行駛過一排風扇，風扇與車輛路徑保持一定距離，并與道路成一定角度一遍定義可重復的側風工況。
測試程序會產生角度為20°陣風、陣風長度約為16.6m（大約三個車長）。
這對應于2Hz的干擾頻率。
車輛的轉向保持零位，以消除駕駛員輸入對車輛響應的任何影響。
表 1 側風工況下Ford Everest，Ford Escort和Ford B-max
測量值和仿真值的橫向偏差比較
測試車輛配備了數據記錄系統和用于測量偏航速度，側傾速度和橫向加速度的傳感器。每個通道以50Hz采樣數據。最初，汽車在固定方向盤的情況下直線行駛。進入側風之前一秒鐘，由光學信標觸發數據記錄，并持續3秒鐘。至少運行并記錄六次試驗，以便保證在95％的置信區間內達到關鍵指標的統計顯著性。為了考慮系統影響，例如道路引起的側傾，在風力發電機不工作的情況下進行基準試驗。
在CFD模型中，采用了重疊網格方法來驅動三輛測試車輛通過規定的側風，從而模擬了試驗場的測試
設置。
由于空氣動力學對車輛自身的平移和轉動影響較小，CFD模型沒有考慮由于側風引起的車輛姿態的任何變化，例如繞其軸的旋轉和偏離標稱航向的偏差。
這種方法可以減輕模型復雜性和計算資源。
多體動力學模型是在Adams Chassis中構建的。Adams Chassis為汽車制造商及其供應商提供了專門的建模環境，以快速建立全車和車輛子系統的模型。然后，用戶可以以同樣快的速度進行測試、優化和改善設計的性能，而所有這些都可以在搭建物理樣機之前進行。
圖 3 側風工況Everest，Escort和B-Max
仿真值和試驗值橫擺角速度比較
圖3對比了試驗測試與仿真得到的車輛橫擺角速度，其中仿真結果使用耦合重疊網格方法以及準穩態方法計算得到。從圖中可以看出，采用耦合的CFD-MBD方法，使用了重疊網格，仿真計算出的橫擺角速度和橫擺加速度與每臺測試車輛測試數據的相吻合。相反，當采用準穩態方法進行空氣動力響應計算時，車輛橫擺角速度計算值偏低，并且在側風工況中峰值橫擺角速度出現得較早。此外曲線還表明，在工況的進入和退出階段側計算預測正確的車輛側風響應至關重要。
圖 4 測量和預測的滾動速度
（Everest，Escort和B-Max）
圖 5 試驗值和仿真值的橫向加速度
(Everest, Escort, and B-Max)
圖4和圖5比較了三種測試車輛的實測和計算的側傾角速度以及側向加速度。同樣，與準靜態方法相比，使用重疊網格的CFD-MBD聯合仿真方法與測量數據能夠更好地吻合。
表1對比了在側風工況下這三種測試車輛橫向偏差的計算值和測量值。數據表明，無論使用準穩態還是耦合分析方法，都可保證計算得到的橫向偏差在一個標準偏差之內。
福特澳大利亞汽車公司已經開發出一種分析工具來計算極端側風下的偏航響應。
該方法將基于重疊網格的CFD模型與多體動力學仿模型進行聯合仿真，重現物理測試流程來評估側風工況的車輛性能。
CFD與MBD聯合仿真的結果表明，與準靜態方法相比，聯合仿真得到的計算結果與測試數據能更好的吻合。
? 盡早發現可能對車輛性能產生不利影響的空氣動力學問題。
? 在設計前期進行設計變更，避免產生高額的制造成本與時間成本。
? 盡可能減少車輛開過過程中所需的物理樣機的數量。
參考書目
Neil Lewington, L. O.-a. (2017). The Application of a One- Way Coupled Aerodynamic and Multi-Body Dynamic Simulation Process to Predict Vehicle Response during a Severe Crosswind Event .SAE .
