一种用于汽车模型流固耦合试验的可调式风洞试验台及试验方法与流程

本发明涉及汽车风洞试验领域，具体涉及一种用于汽车模型流固耦合试验的可调式风洞试验台及试验方法。

背景技术：

随着汽车工业的迅速发展，车辆的高速化方面，市场上的大部分车型较以前均有大幅提高；车辆轻量化方面，各大汽车厂商涉及车型的减重率均在10％以上。车速的提高和车重的下降导致风与车体的相互作用现象日益突出，严重影响车辆行驶稳定性。在实际情况下，车辆行驶不可避免的会受到环境风的影响，尤其在强侧风情况下，作用在车辆的气动力和气动矩会急剧增加，影响行驶安全。此外，侧风与车辆两者之间并非相互独立，而是相互耦合，相互影响的。车辆流场的变化可能会引起流场力的变化，而在流场力作用下，车辆运行姿态可能发生改变，进而流场的变化可能会引起流场力的变化，车辆运行姿态与空气流场的互反馈作用将使空气-车辆系统处于特定的耦合振动形态。在研究流固耦合问题，如车辆行驶侧风稳定性时，除了对不同工况的车辆风激振特性进行仿真并进行整车模态分析，获得整车瞬态气动特性及探究环境风流场结构，还要通过风洞试验技术对试验模型进行流固耦合试验，获取试验车模型在不同风速条件下的气动载荷，振动特性等参数变化规律。国内现有的流固耦合试验平台一般针对地下工程，如发明专利申请号201310138832.5及建筑建造领域，如发明专利申请号201621307428.1，缺少适用于流固耦合汽车模型风洞试验的试验平台。

技术实现要素：

本发明设计开发了用于汽车模型流固耦合试验的可调式风洞试验台，具有轮距调节装置和轴距调节装置，能够调整轴距和轮距，适用于不同车型和工况。

本发明还提供了一种用于汽车模型流固耦合试验的可调式风洞试验方法，给出弹簧刚度和供油压力计算公式，能精确调整汽车模型悬架参数特性，提高流固耦合试验精度。

本发明提供的技术方案为：

一种用于汽车模型流固耦合试验的可调式风洞试验台，包括：

试验台面，其可拆卸固定在地板上；

轴向导向杆，其可拆卸支撑在所述试验台面上；

四个调节支架，其套设在所述导向杆上，并能够沿所述导向杆滑动，所述调节支架分别支撑四个车轮；

调节齿条，其设置在所述调节支架一侧；

驱动电机，其可拆卸固定在所述试验台面上；

调节齿，其套设在所述驱动电机输出轴上，并与所述调节齿条啮合；

横向调节杆，其设置在所述调节支架之间，并能够调节所述调节支架之间的距离。

优选的是，所述调节支架包括：

支撑座；

可调刚度弹簧，其设置在所述支撑座和所述试验台面之间；

可调阻尼元件，其设置在所述支撑座和所述试验台面之间。

优选的是，所述横向调节杆包括：

第一导向杆，其表面具有多个第一螺纹孔；

第二导向杆，其套设在所述第一导向杆上，并能够沿所述第一导向杆滑动，所述第二导向杆一端具有第二螺纹孔；

螺栓，其穿过所述第二螺纹孔，并固定在所述第一螺纹孔内。

优选的是，所述可调刚度弹簧包括：

第一弹簧座；

第一空芯异型截面弹簧，其弹性支撑在所述第一弹簧座上，所述第一空芯异型截面弹簧截面为非圆截面，并具有空腔，所述的空腔内装有高压油；

第二弹簧座，其与所述第一弹簧座平行设置；

第二空芯异型截面弹簧，其弹性支撑在所述第二弹簧座上，所述第二空芯异型截面弹簧截面为非圆截面，并具有空腔，所述的空腔内装有高压油；

弹性部，其设置在所述第一空芯异型截面弹簧和所述第二空芯异型截面弹簧之间。

优选的是，还包括：

第一过渡接头，其一端连接所述第一空芯异型截面弹簧，另一端连接油管；

第二过度接头，其一端连接所述第二空芯异型截面弹簧，另一端连接油管；

螺母，其套设在所述过渡接头中部。

优选的是，还包括：

密封件，其设置在所述过渡接头和所述螺母之间。

优选的是，所述弹性部为压缩弹簧，或拉伸弹簧，或扭转弹簧。

优选的是，所述空芯异型截面弹簧截面为椭圆形，或扁圆形，或矩形。

一种用于汽车模型流固耦合试验的可调式风洞试验方法，包括：通过调整供油压力来改变弹簧变形部分的截面形状来调整弹簧的刚度，其中，所述弹簧刚度计算公式为：

k＝0.396(k1+2k2)[0.0024t²+0.996t+0.645]·exp[0.0068(π·t-2.357)]

其中，

g1为弹性部材料的弹性模量，k1弹性部的弹簧刚度系数，k2为空芯异型截面弹簧的弹簧刚度系数，d为弹簧中径，n1为弹性部有效圈数，a弹簧截面长半轴长度，b为弹簧截面短半轴长度，δ1为弹性部弹簧的壁厚，n2为空芯异型截面弹簧有效圈数，δ2为空芯异型截面弹簧的壁厚，t为弹性部的抗扭系数。

优选的是，所述供油压力计算公式为：

其中，p为供油压力，δ2为空芯异型截面弹簧的壁厚，ζmax为弹簧最大许应拉力，μh为区域系数，n2为空芯异型截面弹簧有效圈数，ka为使用系数，k2为空芯异型截面弹簧的弹簧刚度系数。

本发明所述的有益效果

本发明搭建流固耦合模型风洞试验台架可以大幅度降低风洞试验中由于支撑暴露在流场中对流场品质的干扰并降低试验噪声，为试验者创造更舒适的试验环境。采用轴距和轮距自动调节装置，可以满足不同车辆模型的要求，自动调节省时省力，极大的提高效率。创新性地使用悬架替代系统，使用可调阻尼元件和可调刚度元件，最大程度上模拟出不同车型的悬架参数特性，为流固耦合模型风洞试验的精度提供保证。本试验平台具有良好的适应性。

附图说明

图1为本发明所述的用于汽车模型流固耦合试验的可调式风洞试验台的结构示意图。

图2为本发明所述的轴向调节装置和横向调节装置的结构示意图。

图3为本发明所述的横向调节杆的结构示意图。

图4为本发明所述的调节支架的结构示意图。

图5为本发明所述的可调刚度弹簧的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供的用于汽车模型流固耦合试验的可调式风洞试验台包括：试验台面100、轴向调节装置200、横向调节装置300和刚度调节装置400。

试验台面100安装在风洞试验段地板上并覆盖天平支撑上，轴向调节装置200和横向调节装置300分别安装在天平支撑的底部和内部，分别调节车辆模型轴向间距和横向间距以适应不同轴距轮距的车辆模型，悬架替代系统安装在试验台架与车辆模型之间，可调刚度弹性元件和可调阻尼元件分别调节悬架替代系统刚度和阻尼，以此提供不同的悬架特性参数。

试验台架100主要起到支撑试验台面，笼罩天平支撑，并提供足够的强度刚度。试验台架通过固定装置固定于风洞试验段地板上，在地板和台架之间布置吸能装置，以达到减小台架振动对试验的干扰，并保证降噪的效果。

如图2所示，轴向调节装置200包括轴向导向杆210、四个调节支架220、调节齿条230和驱动电机240。其中，轴向导向杆210可拆卸支撑在试验台面100上；四个调节支架220套设在导向杆210上，并能够沿导向杆210滑动，调节支架220分别支撑四个车轮；调节齿条230通过螺栓可拆卸固定在调节支架220的一侧；驱动电机240可拆卸固定在试验台面100上；调节齿241套设在驱动电机240输出轴上，并与调节齿条230啮合。作为一种优选，轴向调节装置200还包括固定在试验台架上的轴距位移传感器，在试验之前，将当前的实时轴距从传感器传递到控制器中，控制器读取实时轴距l1，设模型轴距为l，如果l＞l1，则控制器驱动电机正向转动，齿轮齿条传动装置通过减速增扭装置与驱动电机输出端相连，从而达到改变轴距的目的。上述情况中，需要增大的距离为l-l1，当调节至l＝l1时，驱动电机停止工作。若l＜l1，则控制器驱动电机反向转动，减小当前轴距，调节至l＝l1，驱动电机停止工作。

如图2、3所示，横向调节杆300设置在调节支架220之间，并能够调节调节支架之间的距离，横向调节装置300包括第一导向杆310、第二导向杆320和螺栓330。第一导向杆310表面具有多个第一螺纹孔；第二导向杆320其套设在第一导向杆310上，并能够沿第一导向杆310滑动，第二导向杆320一端具有第二螺纹孔；螺栓330穿过第二螺纹孔，并固定在第一螺纹孔。横向调节杆通过固定柱340支撑，固定柱340上具有固定孔，能够可拆卸固定在试验台面100上的阵列螺纹孔内。横向调节杆300布置在天平支撑内部并标有刻度与风洞试验段中心线对称，车轮支撑块可沿滑轨滑动，试验准备阶段，跟据车辆模型轮距l2，将每个车轮支撑块移动到l2/2处并用机械锁止装置锁止，完成轮距快速设定。

如图4所示，调节支架400包括：支撑座410、可调刚度弹簧420和可调阻尼元件430。悬架替代装置由可调刚度弹性元件和可调阻尼元件组成。可调刚度弹簧420设置在支撑座410和试验台面100之间；可调阻尼元件430设置在支撑座410和试验台面100之间。

如图5所示，可调刚度弹性元件使用空芯可调刚度螺旋弹簧，可调刚度弹簧420包括：第一弹簧座410、第一空芯异型截面弹簧420、第二弹簧座430、第二空芯异型截面弹簧440和弹性部450；第一空芯异型截面弹簧420弹性支撑在第一弹簧座410上，第一空芯异型截面弹簧420截面为非圆截面，并具有空腔，的空腔具有装有高压油；第二弹簧座430与第一弹簧座410平行设置；第二空芯异型截面弹簧440弹性支撑在第二弹簧座430上，第二空芯异型截面弹簧440截面为非圆截面，并具有空腔，空腔具有装有高压油；弹性部450其设置在第一空芯异型截面弹簧420和第二空芯异型截面弹簧440之间。

在另一实施例中，过渡接头460其一端连接芯异型截面弹簧，另一端连接油管；螺母480，其套设在过渡接头460中部。密封件设置在过渡接头460和螺母480之间。需要时可通过调整供油压力来改变弹簧变形部分的截面形状来调整弹簧的刚度。

在另一实施例中，弹性部为压缩弹簧，或拉伸弹簧，或扭转弹簧。空芯异型截面弹簧截面为椭圆形，或扁圆形，或矩形。可调阻尼元件为磁流变阻尼器，可调阻尼装置采用一种磁流变阻尼器，此阻尼器以磁流变体这种新型的智能材料作为阻尼器的工作液,并在阻尼器的缸体上缠绕电磁线圈,线圈产生的磁场作用于磁流变液,通过控制电磁线圈电流的大小来改变磁流变体的粘度,实现阻尼可调的目的在试验准备阶段，需要进行可调阻尼器标定，并根据试验车辆模型所需阻尼值调整阻尼器阻尼值。

一种用于汽车模型流固耦合试验的可调式风洞试验方法，包括：通过调整供油压力来改变弹簧变形部分的截面形状来调整弹簧的刚度，其中，弹簧刚度计算公式为：

k＝0.396(k1+2k2)[0.0024t²+0.996t+0.645]·exp[0.0068(π·t-2.357)]

其中，

g1为弹性部材料的弹性模量，k1弹性部的弹簧刚度系数，k2为空芯异型截面弹簧的弹簧刚度系数，d为弹簧中径，n1为弹性部有效圈数，a弹簧截面长半轴长度，b为弹簧截面短半轴长度，δ1为弹性部弹簧的壁厚，n2为空芯异型截面弹簧有效圈数，δ2为空芯异型截面弹簧的壁厚，t为弹性部的抗扭系数，其数值为1.35。

供油压力计算公式为：

其中，p为供油压力，δ2为空芯异型截面弹簧的壁厚，ζmax为弹簧最大许应拉力，μh为区域系数，其数值为0.658，n2为空芯异型截面弹簧有效圈数，ka为使用系数，其数值为2.452，k2为空芯异型截面弹簧的弹簧刚度系数。

试验平台安装在风洞试验段地板上并覆盖天平支撑上，轴距和轮距自动调节装置分别安装在天平支撑的底部和内部，分别调节车辆模型轴向间距和横向间距以适应不同轴距轮距的车辆模型。悬架替代系统安装在试验台架与车辆模型之间，可调刚度弹性元件和可调阻尼元件分别调节悬架替代系统刚度和阻尼以此提供不同的悬架特性参数。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。