案例分享 | 基于Adams的侧风稳定性极端工况仿真
作者：Neil Lewington, Lauri Ohra-aho, Olav Lange,
Klaus Rudnik, Ford Motor Company
Hemanth Kolera, MSC Software
足够的侧风稳定性已经成为车辆试验测试过程中的重要标准。特别是在追求轻量化时代，人们正在设计更轻巧的、空气动力学效率更高的车辆，提高燃油经济性并减少尾气排放。进一步减轻结构重量和提升空气动力学的车辆设计可能会削弱车辆对侧风响应的稳定性能力。如何实现两者的折衷，需要空气动力学和车辆动力学工程师努力，使得车辆操纵性与空气动力学性能同样出色。道路试验可提供典型工况条件下车辆操稳特性的参考信息，但需要更加严格的测试条件以了解非典型工况事件（例如强阵风）的影响。在这些可控实验中，使用一排风扇或安装在轨道附近的单个喷嘴产生恒定的侧风速度。虽然这种基于物理原型的实验设置是验证车辆对侧风响应的有用方法，但其作为设计工具的价值有限。试验车辆的物理样机制造很昂贵，并且直到整车研发周期的后期提供才可提供，此时整车设计若进行大规模更改，其制造成本和时间成本压力巨大。此外，收集关于确切流动特征的颗粒信息也是一项挑战，这导致了这些全尺寸实验装置的具体实施问题。最近，福特澳大利亚汽车公司的一组研究人员开发了一种可预测的、高保真的建模方法，使用Adams仿真预测车辆对侧风工况的稳定性响应。（Neil Lewington，2017年）。本文讨论了其方法及为福特汽车开发过程增加的工程价值。考虑到物理测试的局限性，福特汽车在仿真开发流程中采用准稳态分析的静态耦合方法，并且替代全尺寸的实车测试。在这种方法中，使用空气动力学系数来计算风力，并将其用于Adams车辆动力学仿真近似计算车辆对侧风的响应。尽管已知这种方法可为紧凑型和中型车辆提供令人可接受的结果，但无法预测极端的侧风工况下车辆所受的作用力和力矩。此外，仿真误差与车辆的尺寸成比例。为了解决这些工程问题，开发了一种更高保真度的工程仿真方法。通过计算流体动力学（CFD）仿真计算出的空气动力被施加到多体动力学（MBD）仿真上，来模拟车辆对侧风工况的响应。Adams用于车辆动力学仿真。CFD工具可仿真流场。CFD模型的输出，即空气作用力和力矩，施加于Adams模型，以计算侧风工况下的横摆、侧倾和侧向加速度响应。由于侧风对车辆的整体操纵特性的影响有限，并且对计算资源需求的不断增加，因此未计算车辆在侧风工况下的平移和俯仰运动。利用Ford Everest（大型运动型多用途车），Ford Escort（中型轿车）和Ford B-Max（小型多功能车）对CFD和MBD联合仿真方法进行测试。鉴于其独特的车身风格，它们对侧风工况有不同的车辆响应。
图 1 仿真车辆平台
Everest和Escort是新的平台，用以标定模型的参考数据较少，这给工程师带来了额外的挑战。根据从比利时洛默尔的福特试验场获得的测量数据对建模方法进行了验证。同时全尺寸的风洞试验也用于静力和力矩的标定。图 2 比利时福特洛默尔试验场的物理侧风发生器测试设施。
（A）侧面风力发电机风扇阵列
（B）测试车辆路径
测试车辆以恒定速度沿特定轨迹行驶过一排风扇，风扇与车辆路径保持一定距离，并与道路成一定角度一遍定义可重复的侧风工况。测试程序会产生角度为20°阵风、阵风长度约为16.6m（大约三个车长）。这对应于2Hz的干扰频率。车辆的转向保持零位，以消除驾驶员输入对车辆响应的任何影响。表 1 侧风工况下Ford Everest，Ford Escort和Ford B-max
测量值和仿真值的横向偏差比较
测试车辆配备了数据记录系统和用于测量偏航速度，侧倾速度和横向加速度的传感器。每个通道以50Hz采样数据。最初，汽车在固定方向盘的情况下直线行驶。进入侧风之前一秒钟，由光学信标触发数据记录，并持续3秒钟。至少运行并记录六次试验，以便保证在95％的置信区间内达到关键指标的统计显著性。为了考虑系统影响，例如道路引起的侧倾，在风力发电机不工作的情况下进行基准试验。
在CFD模型中，采用了重叠网格方法来驱动三辆测试车辆通过规定的侧风，从而模拟了试验场的测试设置。由于空气动力学对车辆自身的平移和转动影响较小，CFD模型没有考虑由于侧风引起的车辆姿态的任何变化，例如绕其轴的旋转和偏离标称航向的偏差。这种方法可以减轻模型复杂性和计算资源。多体动力学模型是在Adams Chassis中构建的。Adams Chassis为汽车制造商及其供应商提供了专门的建模环境，以快速建立全车和车辆子系统的模型。然后，用户可以以同样快的速度进行测试、优化和改善设计的性能，而所有这些都可以在搭建物理样机之前进行。图 3 侧风工况Everest，Escort和B-Max
仿真值和试验值横摆角速度比较
图3对比了试验测试与仿真得到的车辆横摆角速度，其中仿真结果使用耦合重叠网格方法以及准稳态方法计算得到。从图中可以看出，采用耦合的CFD-MBD方法，使用了重叠网格，仿真计算出的横摆角速度和横摆加速度与每台测试车辆测试数据的相吻合。相反，当采用准稳态方法进行空气动力响应计算时，车辆横摆角速度计算值偏低，并且在侧风工况中峰值横摆角速度出现得较早。此外曲线还表明，在工况的进入和退出阶段侧计算预测正确的车辆侧风响应至关重要。图 4 测量和预测的滚动速度
（Everest，Escort和B-Max）
图 5 试验值和仿真值的横向加速度
(Everest, Escort, and B-Max)
图4和图5比较了三种测试车辆的实测和计算的侧倾角速度以及侧向加速度。同样，与准静态方法相比，使用重叠网格的CFD-MBD联合仿真方法与测量数据能够更好地吻合。表1对比了在侧风工况下这三种测试车辆横向偏差的计算值和测量值。数据表明，无论使用准稳态还是耦合分析方法，都可保证计算得到的横向偏差在一个标准偏差之内。
福特澳大利亚汽车公司已经开发出一种分析工具来计算极端侧风下的偏航响应。该方法将基于重叠网格的CFD模型与多体动力学仿模型进行联合仿真，重现物理测试流程来评估侧风工况的车辆性能。CFD与MBD联合仿真的结果表明，与准静态方法相比，联合仿真得到的计算结果与测试数据能更好的吻合。
• 尽早发现可能对车辆性能产生不利影响的空气动力学问题。
• 在设计前期进行设计变更，避免产生高额的制造成本与时间成本。
• 尽可能减少车辆开过过程中所需的物理样机的数量。
参考书目
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 .
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