集裝箱貨車(chē)高速行駛側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性分析

胡興軍，丁九洋，黃 珊，高雪竹，劉龍威，孫興智

（1.吉林大學(xué) 汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022；2.一汽-大眾汽車(chē)有限公司，長(zhǎng)春 130011）

由于自然風(fēng)的常見(jiàn)性，車(chē)輛在側(cè)風(fēng)環(huán)境下行駛已成為一種典型的行車(chē)工況。高速行駛的汽車(chē)在側(cè)向風(fēng)的作用下，流場(chǎng)特性會(huì)發(fā)生顯著變化，氣動(dòng)六分力也會(huì)較無(wú)風(fēng)干擾時(shí)有明顯的上升。集裝箱貨車(chē)因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和輕量化的研發(fā)趨勢(shì)，側(cè)風(fēng)敏感性較強(qiáng)，高速行駛時(shí)遇到側(cè)風(fēng)的襲擾，容易發(fā)生側(cè)偏、側(cè)翻等安全事故[1]，因此研究集裝箱貨車(chē)高速行駛側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性及行車(chē)安全性具有一定的理論和工程應(yīng)用價(jià)值。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究，研究方法和手段也比較成熟。文獻(xiàn)[2]～[6]利用風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了貨車(chē)和轎車(chē)在公路及高架橋上的側(cè)風(fēng)氣動(dòng)特性，結(jié)果表明側(cè)風(fēng)對(duì)車(chē)輛外流場(chǎng)及氣動(dòng)六分力影響很大。董光平等[7]基于ADAMS軟件對(duì)車(chē)輛在側(cè)風(fēng)環(huán)境下的操縱穩(wěn)定性和側(cè)移特性進(jìn)行了分析，并通過(guò)改進(jìn)氣動(dòng)造型優(yōu)化了車(chē)輛的側(cè)風(fēng)偏移特性。李杰等[8]基于TruckSim研究了卡車(chē)的側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性，分析了側(cè)風(fēng)風(fēng)速及駕駛員的主動(dòng)修正對(duì)車(chē)輛操縱穩(wěn)定性的影響。但之前的研究側(cè)重于流場(chǎng)和氣動(dòng)特性分析，且仿真與建模流程相對(duì)復(fù)雜。

針對(duì)以上研究成果的不足，采用合成速度法和TruckSim軟件對(duì)某國(guó)產(chǎn)集裝箱貨車(chē)高速行駛時(shí)側(cè)風(fēng)氣動(dòng)特性和操縱穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真分析，簡(jiǎn)化了仿真流程，并對(duì)導(dǎo)流罩對(duì)車(chē)輛側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)，對(duì)提高車(chē)輛在側(cè)風(fēng)環(huán)境下的行車(chē)安全性有一定的參考價(jià)值。

1 數(shù)值模擬

1.1 建立幾何模型

建立某國(guó)產(chǎn)重型集裝箱貨車(chē)的1∶1模型，在保證計(jì)算精度和忠于原車(chē)氣動(dòng)特性的基礎(chǔ)上，對(duì)車(chē)輛進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，如圖1所示。

圖1 集裝箱貨車(chē)簡(jiǎn)化模型

1.2 計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

本文采用長(zhǎng)方體計(jì)算域，尺寸設(shè)置為：計(jì)算域總長(zhǎng)為10L，總寬為15W，總高為5H，其中車(chē)前與入口距離為3L，尾部與出口的距離為6L，車(chē)輛側(cè)邊迎風(fēng)面與側(cè)風(fēng)入口的距離為5W，背風(fēng)面與側(cè)風(fēng)出口的距離為9W，L、W、H分別為車(chē)長(zhǎng)、車(chē)寬、車(chē)高。計(jì)算域如圖2所示，網(wǎng)格類(lèi)型為T(mén)rimmer網(wǎng)格，在計(jì)算域中設(shè)置了3個(gè)加密區(qū)，并對(duì)車(chē)身的細(xì)節(jié)進(jìn)行了加密，體網(wǎng)格數(shù)量約為480萬(wàn)個(gè)，縱向?qū)ΨQ(chēng)面體網(wǎng)格如圖3所示。

圖2 仿真計(jì)算域

圖3 貨車(chē)縱向?qū)ΨQ(chēng)面體網(wǎng)格

1.3 邊界條件的設(shè)置

仿真采用合成速度法，即入口和側(cè)風(fēng)入口速度的大小為車(chē)速和風(fēng)速的合成速度，速度方向與模型的夾角為側(cè)偏角，邊界條件設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算域邊界條件的設(shè)置

1.4 仿真工況的設(shè)置

根據(jù)貨車(chē)的實(shí)際行車(chē)速度以及蒲福（Francis Beaufort）風(fēng)級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)[7]，對(duì)車(chē)輛在不同車(chē)速和風(fēng)速下的氣動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，仿真工況見(jiàn)表2。

1.5 仿真結(jié)果分析與處理

如圖4所示，貨車(chē)的氣動(dòng)阻力系數(shù)隨側(cè)偏角的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，氣動(dòng)側(cè)向力系數(shù)隨側(cè)風(fēng)強(qiáng)度的增加而線(xiàn)性增大，當(dāng)車(chē)輛受到7級(jí)風(fēng)干擾時(shí)氣動(dòng)側(cè)向力系數(shù)高達(dá)3.78，相應(yīng)的氣動(dòng)側(cè)向力約為18 742 N，車(chē)輛的行駛穩(wěn)定性嚴(yán)重惡化，駕駛員需要不斷采取合理的行車(chē)控制，極易引起駕駛疲勞，威脅行車(chē)安全。

表2 數(shù)值仿真工況 單位：m/s

圖4 擬合曲線(xiàn)與仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比

為減小誤差，為系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的搭建提供原始數(shù)據(jù)，基于多項(xiàng)式擬合的方法建立了貨車(chē)氣動(dòng)特性與側(cè)偏角的函數(shù)關(guān)系，如式（1）～（6）所示，并對(duì)比了仿真結(jié)果與擬合曲線(xiàn)，二者吻合度較好，擬合函數(shù)較好地表征了車(chē)輛的氣動(dòng)特性。

2 側(cè)風(fēng)行駛特性仿真分析

2.1 車(chē)輛特征參數(shù)模型的建立

TruckSim軟件是一款基于總成特性參數(shù)建模和仿真的軟件，本文中國(guó)產(chǎn)牽引車(chē)的部分特征參數(shù)見(jiàn)表3，氣動(dòng)特性模型如圖5所示。由于氣動(dòng)六分力系數(shù)建模方法相同，因此只列舉了氣動(dòng)阻力系數(shù)和側(cè)向力系數(shù)。

表3 牽引車(chē)特性參數(shù)

2.2 不同工況下側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的仿真分析

基于搭建的參數(shù)化動(dòng)力學(xué)模型對(duì)集裝箱貨車(chē)在3種車(chē)速（90 km/h、100 km/h、110 km/h），7種風(fēng)速（0 km/h、10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h）共計(jì)21種工況下的行駛特性進(jìn)行了仿真分析，仿真時(shí)間為10 s，方向盤(pán)固定，駕駛員無(wú)任何修正操作，2.0 s引入斜坡階躍側(cè)風(fēng)，風(fēng)向與車(chē)輛直線(xiàn)行駛方向垂直，斜坡階躍時(shí)間為0.1 s，側(cè)風(fēng)設(shè)置如圖6所示。

圖6 仿真?zhèn)蕊L(fēng)的設(shè)置

圖7表明，貨車(chē)的側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性對(duì)車(chē)速較為敏感，3種車(chē)速下的最大側(cè)向位移分別為15.978 m、18.420 m、20.839 m，增幅明顯；側(cè)向加速度的峰值由5.459 m/s2增至6.223 m/s2，側(cè)翻的可能性大大增加，不同車(chē)速下貨車(chē)的側(cè)風(fēng)響應(yīng)時(shí)間相差不大，峰值出現(xiàn)的時(shí)刻以及曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)也基本相同。

圖8表明，隨著側(cè)風(fēng)速度的增大，貨車(chē)的側(cè)向位移、側(cè)向加速度也逐漸增加。當(dāng)貨車(chē)受到60 km/h的側(cè)風(fēng)襲擾時(shí)，10 s后側(cè)偏距離達(dá)到16 m，約是風(fēng)速為10 km/h時(shí)的8倍，側(cè)向加速度峰值超過(guò)5.390 m/s2，此時(shí)車(chē)輛極有可能發(fā)生側(cè)翻；橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)傾角幅值變化越來(lái)越大，且震蕩明顯加強(qiáng)，操縱穩(wěn)定性逐漸惡化，對(duì)駕駛員的生命和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。

3 導(dǎo)流罩對(duì)車(chē)輛側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的影響

3.1 幾何模型

加裝導(dǎo)流罩的幾何模型如圖9所示，導(dǎo)流罩略高于貨箱，側(cè)板與駕駛室輪廓相結(jié)合，寬度為400 mm。

圖9 加裝導(dǎo)流罩的集裝箱貨車(chē)簡(jiǎn)化模型

3.2 側(cè)風(fēng)行車(chē)安全性分析

因駕駛員的反應(yīng)時(shí)間一般為0.3～1 s，車(chē)輛制動(dòng)遲滯時(shí)間約為0.2～0.9 s[9]，所以只有當(dāng)仿真時(shí)間約為3.5 s時(shí)，車(chē)輛的行駛姿態(tài)才會(huì)受到駕駛員主動(dòng)修正的影響。因此，選擇貨車(chē)車(chē)速為90 km/h，受到不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速作用下的側(cè)向加速度峰值與仿真時(shí)間為3.5 s時(shí)的側(cè)向位移進(jìn)行分析，并將有無(wú)導(dǎo)流罩時(shí)的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖10所示。

圖10 有、無(wú)導(dǎo)流罩貨車(chē)側(cè)向位移和側(cè)向加速度峰值對(duì)比

如圖10所示，集裝箱貨車(chē)在加裝導(dǎo)流罩之后，駕駛員反應(yīng)及機(jī)械傳動(dòng)遲滯時(shí)間內(nèi)貨車(chē)的側(cè)向位移明顯減小。側(cè)風(fēng)風(fēng)速為20 km/h時(shí)（相當(dāng)于3級(jí)風(fēng)），車(chē)輛側(cè)向位移由0.31 m減小到0.085 m，減小了約70%，貨車(chē)在側(cè)向風(fēng)作用下因偏移車(chē)道而引發(fā)道路交通事故的可能性大大降低。貨車(chē)在階躍風(fēng)作用下，側(cè)向加速度的峰值也有一定的下降，在閾值不變的情況下，導(dǎo)致車(chē)輛側(cè)翻的側(cè)風(fēng)風(fēng)級(jí)增大，車(chē)輛的行車(chē)安全性提高。集裝箱貨車(chē)加裝導(dǎo)流罩后，不僅有較為明顯的減阻效果，而且在側(cè)風(fēng)環(huán)境中偏離車(chē)道和側(cè)翻的可能性降低，車(chē)輛的行車(chē)安全性有所改善。

4 結(jié)論

本文基于合成速度法和TruckSim軟件，對(duì)某國(guó)產(chǎn)集裝箱貨車(chē)在不同工況下的側(cè)風(fēng)氣動(dòng)特性和操縱穩(wěn)定性進(jìn)行了仿真分析，同時(shí)還分析了導(dǎo)流罩對(duì)車(chē)輛側(cè)風(fēng)行車(chē)安全性的影響，基于仿真結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）側(cè)向風(fēng)對(duì)集裝箱貨車(chē)高速行駛時(shí)的氣動(dòng)特性和操縱穩(wěn)定性影響很大，在側(cè)向風(fēng)的作用下，車(chē)輛的氣動(dòng)六分力系數(shù)、側(cè)向位移和側(cè)向加速度明顯增大，車(chē)輛極易發(fā)生車(chē)道偏移和側(cè)翻等安全事故，駕駛員在側(cè)風(fēng)常發(fā)路段行駛時(shí)一定要選擇合理的行車(chē)速度。

（2）當(dāng)車(chē)輛高速行駛時(shí)遇到階躍風(fēng)的襲擾，在風(fēng)速剛到達(dá)峰值時(shí)，車(chē)輛的側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性最差，但此時(shí)駕駛員無(wú)法及時(shí)做出修正操縱，嚴(yán)重威脅駕駛員的生命和財(cái)產(chǎn)安全。智能駕駛和輔助駕駛控制策略需要重點(diǎn)考慮階躍風(fēng)干擾。

（3）導(dǎo)流裝置不僅有較為明顯的減阻效果還對(duì)貨車(chē)在側(cè)風(fēng)環(huán)境下的行車(chē)安全性有一定的改善。

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