A co-simulation model for analysing the stability of road vehicles under downburst wind conditions

Adverse weather conditions, such as thunderstorms, tornadoes, or heavy precipitation, significantly increase the risk of road accidents. While these scenarios are characterised by non-synoptic winds, in other words, localised wind patterns with high speeds and strong effects, most of the studies dedicated to the effect of wind on road vehicles consider synoptic or medium winds. This thesis is conducted within the framework of the CROSS-STORM project, which intends to address the aforementioned gap by developing a risk map that classifies thunderstorm-related scenarios and parameters into defined levels of accident risk, with particular attention to non-synoptic wind conditions. The aim of this thesis is to identify the parameters that most significantly influence vehicle stability under crosswind conditions, ultimately leading to the generation of a risk map. The study focuses on five key variables: vehicle velocity, vehicle weight, vehicle trajectory, wind speed, and wind angle. To support this analysis, a co-simulation model has been developed that integrates both aerodynamic forces and vehicle dynamics, enabling the simulation of diverse operating scenarios. It consists of three main components: an aerodynamic load model, a vehicle model, and a driver model. Various tools and methodologies have been employed to achieve these goals. The vehicle model has been developed using MATLAB, Simulink, and VI-Grade in parallel. Aerodynamic coefficients have been obtained through a wind tunnel testing campaign. As for the influence of the driver, this will be analysed in future studies using the results of an experimental campaign in the driving simulator, the design of which has been carried out as part of this thesis. It has been concluded that vehicles with higher dimensions suffer more stability problems. Moreover, variables such as vehicle and wind velocity play a key role in the magnitude of the aerodynamic loads, and therefore, the magnitude of the risk indexes.

Condizioni meteorologiche avverse, quali temporali, tornado o precipitazioni intense, aumentano significativamente il rischio di incidenti stradali. Sebbene tali scenari siano caratterizzati da venti non sinottici, ovvero da pattern locali di vento ad alta velocità e con effetti intensi, la maggior parte degli studi sull’effetto del vento sui veicoli stradali prende in considerazione venti sinottici o di intensità media. La presente tesi è inserita nel contesto del progetto CROSS-STORM, che si propone di colmare tale lacuna sviluppando una mappa del rischio che classifichi gli scenari e i parametri legati ai temporali in livelli definiti di rischio di incidente, con particolare attenzione alle condizioni di vento non sinottico. L’obiettivo della tesi è identificare i parametri che influenzano maggiormente la stabilità del veicolo in condizioni di vento trasversale, conducendo infine alla generazione di una mappa del rischio. Lo studio si concentra su cinque variabili chiave: velocità del veicolo, peso del veicolo, traiettoria del veicolo, velocità del vento e angolo del vento. Per supportare questa analisi, è stato sviluppato un modello di co-simulazione che integra le forze aerodinamiche con la dinamica del veicolo, permettendo la simulazione di diversi scenari operativi. Il modello è costituito da tre componenti principali: un modello dei carichi aerodinamici, un modello del veicolo e un modello del conducente. Per raggiungere questi obiettivi sono stati impiegati diversi strumenti e metodologie. Il modello del veicolo è stato sviluppato in parallelo utilizzando MATLAB, Simulink e VI-Grade. I coefficienti aerodinamici sono stati ottenuti tramite una campagna sperimentale in galleria del vento. Per quanto riguarda l’influenza del conducente, questa sarà analizzata in studi futuri utilizzando i risultati di una campagna sperimentale condotta nel simulatore di guida, la cui progettazione è stata realizzata nell’ambito di questa tesi. Dalla ricerca è emerso che i veicoli di dimensioni maggiori presentano maggiori problemi di stabilità. Inoltre, variabili quali la velocità del veicolo e del vento giocano un ruolo chiave nell’entità dei carichi aerodinamici e, di conseguenza, nell’entità degli indici di rischio.