基于方程式賽車的車身改進(jìn)設(shè)計(jì)

夏 威，張 忠，林進(jìn)權(quán)

（九江學(xué)院機(jī)械與材料工程學(xué)院，江西 九江332005）

0 引言

通過對(duì)當(dāng)前FSAE賽事進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，有關(guān)FSAE賽車車身及空套設(shè)計(jì)是提升整車性能的重點(diǎn)內(nèi)容，同時(shí)，優(yōu)化車身造型設(shè)計(jì)也有助于賽車新技術(shù)的研發(fā)。故本文基于原來的整車設(shè)計(jì)，對(duì)車身進(jìn)行重新設(shè)計(jì)加裝前翼和尾翼，以提升賽車在行駛過程中的下壓力和操縱穩(wěn)定性。

1 未安裝空套的賽車外流場(chǎng)模擬分析

1.1 整體賽車三維模型的簡(jiǎn)化

本次設(shè)計(jì)選用CATIA來建模。首先對(duì)方程式賽車裝配細(xì)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)化，具體修改措施如下：將賽車的車架和前后懸架刪除，相關(guān)的組裝配件也忽略；將車身內(nèi)的傳動(dòng)和制動(dòng)部件刪除，車身內(nèi)部繪制成封閉的實(shí)體；將座椅、電機(jī)和相關(guān)零部件刪除，用實(shí)體封閉駕駛艙；將車輪簡(jiǎn)化為尺寸與實(shí)際輪胎一致的圓柱體，與地面接觸部分畫成凸臺(tái)，模擬此時(shí)輪胎的變形。最終，滿足仿真要求三維模型的簡(jiǎn)化如圖1所示[1]。

圖1 簡(jiǎn)化的三維模型

1.2 模型前處理

現(xiàn)將流體域的尺寸設(shè)計(jì)為：賽車最前端距離入口的長度為整車長度的3倍，最尾端距離出口的長度為整車長度的6倍，兩側(cè)距離左右壁面的長度為車寬的7倍，流體域高度為車高5倍，輪胎與地面平行。由于賽車車身造型曲面復(fù)雜不規(guī)則，優(yōu)先使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分流體域[2]。

入口處的速度值為25 m/s，湍流強(qiáng)度5%，湍流粘度比10；出口處的壓力值為0，湍流強(qiáng)度5%，湍流粘度比10；固定壁面為無滑移條件；地面為移動(dòng)邊界，數(shù)值為25 m/s；迭代步數(shù)設(shè)置為1 000，開始計(jì)算。

1.3 空氣動(dòng)力學(xué)特性分析

最終計(jì)算結(jié)果為：風(fēng)阻系數(shù)Cd=0.634，升力系數(shù)Cl=0.325，氣動(dòng)升力=126.4 N，氣動(dòng)阻力 =197.6 N，符合大學(xué)生方程式賽車的設(shè)計(jì)規(guī)則。利用Fluent軟件進(jìn)行后處理，更直觀地了解賽車的空氣動(dòng)力學(xué)特性[3]。

由圖2可知，未安裝空套的賽車在行駛過程中，車身前端、賽車前輪以及駕駛員這三個(gè)位置為主要迎風(fēng)面上受到壓力值較大的地方，這幾個(gè)部位的正壓梯度變化較大。由于沒有前翼的引流作用，氣流直接沖擊到前輪上，使得前輪受到的氣動(dòng)阻力最大，同時(shí)氣動(dòng)升力也是最大。

圖2 賽車表面壓力云圖

接著分析對(duì)稱面處氣流運(yùn)動(dòng)情況如圖3所示。當(dāng)氣流運(yùn)動(dòng)到駕駛員頭部時(shí)其正壓值較大，在比賽過程中，由于賽車的速度不斷變化，氣流對(duì)駕駛員頭部的作用也不斷變化，會(huì)阻礙賽車手正常發(fā)揮。因此在賽車尾部加裝尾翼很有必要。

圖3 賽車對(duì)稱面流線圖

2 翼型設(shè)計(jì)及整車外流場(chǎng)模擬分析

2.1 前翼設(shè)計(jì)

因?yàn)橘愜囍車睦字Z數(shù)比較低，所以應(yīng)選擇低雷諾數(shù)，低速的翼型。為了簡(jiǎn)化翼型設(shè)計(jì)難度，在經(jīng)過國內(nèi)外研究和參考其他強(qiáng)隊(duì)給出的經(jīng)驗(yàn)后，選擇為前翼的主翼，弦長400 mm，攻角α1=2°；GOE430為前翼的輔翼，弦長200 mm，攻角α2=30°，第二輔翼攻角α3=39°。如圖4所示[4]。

圖4 前翼實(shí)體模型

2.2 尾翼設(shè)計(jì)

提高尾翼帶來的氣動(dòng)壓力可以通過增加翼型表面積、增加翼型弧度和采用組合翼的形式[5]。

尾翼也采用三個(gè)翼片的形式，主翼攻角，主翼與襟翼之間的間隙控制在10 mm左右如圖5所示。

圖5 尾翼實(shí)體模型

2.3 帶空套的賽車CFD分析

在原來賽車模型的基礎(chǔ)上，對(duì)賽車加裝空氣動(dòng)力學(xué)套件，包括前翼和尾翼如圖5所示，接著按同樣的方法進(jìn)行CFD仿真分析并將所有設(shè)置的條件與前文里的一致。

計(jì)算結(jié)果為：風(fēng)阻系數(shù)Cd=0.813，升力系數(shù)Cl=-1.126，氣動(dòng)升力=-573.1 N，氣動(dòng)阻力=274.3 N。對(duì)比前后可知：風(fēng)阻系數(shù)增加了0.179，升力系數(shù)減少了1.451，氣動(dòng)升力減少699.5 N，氣動(dòng)阻力增加了76.7 N。

由圖6所示的賽車表面壓力云圖可知，在氣流作用下，賽車的前翼和尾翼處形成兩個(gè)高壓區(qū)。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，前輪受到的壓力明顯減少，而前后尾翼處的壓力適當(dāng)，形成的壓力差為車身帶來一定的下壓力。在前后翼的引流作用下，氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力都降低，氣動(dòng)平順性較好，除兩個(gè)高壓區(qū)外，壓力分布也比較均勻，整車的氣動(dòng)特性得到很好的改善。

圖6 賽車表面壓力云圖

從對(duì)稱面的流線圖圖7來看，在斷面處和駕駛員頭部后產(chǎn)生的渦流帶來的影響降低了許多，在尾翼處形成的壓力差為賽車提供下壓力。

圖7 賽車對(duì)稱面流線圖

3 結(jié)論

通過對(duì)未安裝空套的賽車進(jìn)行外流場(chǎng)模擬分析，提出加裝空套的設(shè)想，結(jié)合翼型設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)了前翼和尾翼，前后對(duì)比發(fā)現(xiàn)，加裝空套可以讓賽車在過彎時(shí)獲得較大的下壓力，在比賽時(shí)有更加優(yōu)異的表現(xiàn)，從而獲得較好的比賽成績(jī)。