集装箱货车高速行驶侧风稳定性分析

胡兴军，丁九洋，黄 珊，高雪竹，刘龙威，孙兴智

（1.吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022；2.一汽-大众汽车有限公司，长春 130011）

由于自然风的常见性，车辆在侧风环境下行驶已成为一种典型的行车工况。高速行驶的汽车在侧向风的作用下，流场特性会发生显著变化，气动六分力也会较无风干扰时有明显的上升。集装箱货车因其结构特点和轻量化的研发趋势，侧风敏感性较强，高速行驶时遇到侧风的袭扰，容易发生侧偏、侧翻等安全事故[1]，因此研究集装箱货车高速行驶侧风稳定性及行车安全性具有一定的理论和工程应用价值。国内外学者在该领域进行了大量的研究，研究方法和手段也比较成熟。文献[2]～[6]利用风洞试验和数值模拟研究了货车和轿车在公路及高架桥上的侧风气动特性，结果表明侧风对车辆外流场及气动六分力影响很大。董光平等[7]基于ADAMS软件对车辆在侧风环境下的操纵稳定性和侧移特性进行了分析，并通过改进气动造型优化了车辆的侧风偏移特性。李杰等[8]基于TruckSim研究了卡车的侧风稳定性，分析了侧风风速及驾驶员的主动修正对车辆操纵稳定性的影响。但之前的研究侧重于流场和气动特性分析，且仿真与建模流程相对复杂。

针对以上研究成果的不足，采用合成速度法和TruckSim软件对某国产集装箱货车高速行驶时侧风气动特性和操纵稳定性进行了仿真分析，简化了仿真流程，并对导流罩对车辆侧风稳定性的影响进行了分析和评价，对提高车辆在侧风环境下的行车安全性有一定的参考价值。

1 数值模拟

1.1 建立几何模型

建立某国产重型集装箱货车的1∶1模型，在保证计算精度和忠于原车气动特性的基础上，对车辆进行了一定的简化，如图1所示。

图1 集装箱货车简化模型

1.2 计算域及网格划分

本文采用长方体计算域，尺寸设置为：计算域总长为10L，总宽为15W，总高为5H，其中车前与入口距离为3L，尾部与出口的距离为6L，车辆侧边迎风面与侧风入口的距离为5W，背风面与侧风出口的距离为9W，L、W、H分别为车长、车宽、车高。计算域如图2所示，网格类型为Trimmer网格，在计算域中设置了3个加密区，并对车身的细节进行了加密，体网格数量约为480万个，纵向对称面体网格如图3所示。

图2 仿真计算域

图3 货车纵向对称面体网格

1.3 边界条件的设置

仿真采用合成速度法，即入口和侧风入口速度的大小为车速和风速的合成速度，速度方向与模型的夹角为侧偏角，边界条件设置见表1。

表1 计算域边界条件的设置

1.4 仿真工况的设置

根据货车的实际行车速度以及蒲福（Francis Beaufort）风级的划分标准[7]，对车辆在不同车速和风速下的气动特性进行了数值模拟，仿真工况见表2。

1.5 仿真结果分析与处理

如图4所示，货车的气动阻力系数随侧偏角的增大呈先增大后减小的趋势，气动侧向力系数随侧风强度的增加而线性增大，当车辆受到7级风干扰时气动侧向力系数高达3.78，相应的气动侧向力约为18 742 N，车辆的行驶稳定性严重恶化，驾驶员需要不断采取合理的行车控制，极易引起驾驶疲劳，威胁行车安全。

表2 数值仿真工况 单位：m/s

图4 拟合曲线与仿真数据的对比

为减小误差，为系统动力学模型的搭建提供原始数据，基于多项式拟合的方法建立了货车气动特性与侧偏角的函数关系，如式（1）～（6）所示，并对比了仿真结果与拟合曲线，二者吻合度较好，拟合函数较好地表征了车辆的气动特性。

2 侧风行驶特性仿真分析

2.1 车辆特征参数模型的建立

TruckSim软件是一款基于总成特性参数建模和仿真的软件，本文中国产牵引车的部分特征参数见表3，气动特性模型如图5所示。由于气动六分力系数建模方法相同，因此只列举了气动阻力系数和侧向力系数。

表3 牵引车特性参数

2.2 不同工况下侧风稳定性的仿真分析

基于搭建的参数化动力学模型对集装箱货车在3种车速（90 km/h、100 km/h、110 km/h），7种风速（0 km/h、10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h）共计21种工况下的行驶特性进行了仿真分析，仿真时间为10 s，方向盘固定，驾驶员无任何修正操作，2.0 s引入斜坡阶跃侧风，风向与车辆直线行驶方向垂直，斜坡阶跃时间为0.1 s，侧风设置如图6所示。

图6 仿真侧风的设置

图7表明，货车的侧风稳定性对车速较为敏感，3种车速下的最大侧向位移分别为15.978 m、18.420 m、20.839 m，增幅明显；侧向加速度的峰值由5.459 m/s2增至6.223 m/s2，侧翻的可能性大大增加，不同车速下货车的侧风响应时间相差不大，峰值出现的时刻以及曲线的变化趋势也基本相同。

图8表明，随着侧风速度的增大，货车的侧向位移、侧向加速度也逐渐增加。当货车受到60 km/h的侧风袭扰时，10 s后侧偏距离达到16 m，约是风速为10 km/h时的8倍，侧向加速度峰值超过5.390 m/s2，此时车辆极有可能发生侧翻；横摆角速度和质心侧倾角幅值变化越来越大，且震荡明显加强，操纵稳定性逐渐恶化，对驾驶员的生命和财产安全构成了严重的威胁。

3 导流罩对车辆侧风稳定性的影响

3.1 几何模型

加装导流罩的几何模型如图9所示，导流罩略高于货箱，侧板与驾驶室轮廓相结合，宽度为400 mm。

图9 加装导流罩的集装箱货车简化模型

3.2 侧风行车安全性分析

因驾驶员的反应时间一般为0.3～1 s，车辆制动迟滞时间约为0.2～0.9 s[9]，所以只有当仿真时间约为3.5 s时，车辆的行驶姿态才会受到驾驶员主动修正的影响。因此，选择货车车速为90 km/h，受到不同侧风风速作用下的侧向加速度峰值与仿真时间为3.5 s时的侧向位移进行分析，并将有无导流罩时的仿真结果进行对比，如图10所示。

图10 有、无导流罩货车侧向位移和侧向加速度峰值对比

如图10所示，集装箱货车在加装导流罩之后，驾驶员反应及机械传动迟滞时间内货车的侧向位移明显减小。侧风风速为20 km/h时（相当于3级风），车辆侧向位移由0.31 m减小到0.085 m，减小了约70%，货车在侧向风作用下因偏移车道而引发道路交通事故的可能性大大降低。货车在阶跃风作用下，侧向加速度的峰值也有一定的下降，在阈值不变的情况下，导致车辆侧翻的侧风风级增大，车辆的行车安全性提高。集装箱货车加装导流罩后，不仅有较为明显的减阻效果，而且在侧风环境中偏离车道和侧翻的可能性降低，车辆的行车安全性有所改善。

4 结论

本文基于合成速度法和TruckSim软件，对某国产集装箱货车在不同工况下的侧风气动特性和操纵稳定性进行了仿真分析，同时还分析了导流罩对车辆侧风行车安全性的影响，基于仿真结果，得出以下结论：

（1）侧向风对集装箱货车高速行驶时的气动特性和操纵稳定性影响很大，在侧向风的作用下，车辆的气动六分力系数、侧向位移和侧向加速度明显增大，车辆极易发生车道偏移和侧翻等安全事故，驾驶员在侧风常发路段行驶时一定要选择合理的行车速度。

（2）当车辆高速行驶时遇到阶跃风的袭扰，在风速刚到达峰值时，车辆的侧风稳定性最差，但此时驾驶员无法及时做出修正操纵，严重威胁驾驶员的生命和财产安全。智能驾驶和辅助驾驶控制策略需要重点考虑阶跃风干扰。

（3）导流装置不仅有较为明显的减阻效果还对货车在侧风环境下的行车安全性有一定的改善。

参考文献（References）：

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[8]李杰，张喆，张英朝.侧风对直线行驶卡车操纵稳定性的影响[J].吉林大学学报(工学版)，2009，39(S2)：255-259.LI Jie，ZHANG Zhe，ZHANG Yingchao. Effects of Crosswind on Handing and Stability of Truck Driving in a Straight-line[J] . Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition)，2009，39(S2)：255-259.(in Chinese)

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