大學(xué)生方程式賽車空氣動力學(xué)套件設(shè)計

王世權(quán) 張一鳴 任豪放

摘要：增加賽車負(fù)升力，提高賽車穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)賽車輕量化。以武漢理工大學(xué)WUT車隊(duì)2019賽季賽車為例，利用CATIA軟件創(chuàng)建空氣動力學(xué)套件各組件三維模型，利用ANSYS軟件fluent模塊對加裝空氣動力學(xué)套件的整車進(jìn)行外流場分析，將結(jié)果與上賽季數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，觀察賽車空氣動力學(xué)特性。賽車負(fù)升力較上賽季增加20%以上;空套總質(zhì)量較上賽季減輕40%以上。有效地提高了賽車的過彎速度和行駛穩(wěn)定性，在保證安全性、可靠性的同時進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了輕量化，為賽車設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：大學(xué)生方程式賽車 空氣動力學(xué)套件 負(fù)升力 仿真分析 輕量化

中圖分類號：U463.99

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069 （2020） 07-0008-03

引言

中國大學(xué)生方程式汽車大賽要求各參賽車隊(duì)遵照大賽規(guī)則，在為期一年的時間里，車隊(duì)全體成員一起設(shè)計，并制造出一輛性能優(yōu)異的賽車，最后到參賽場地爭取成功完成全部或部分賽事環(huán)節(jié)[1]。自中國大學(xué)生方程式汽車大賽開辦以來，武漢理工大學(xué)WUT車隊(duì)始終積極參賽，有過輝煌的成績，也有過失敗的教訓(xùn)，2019賽季的賽車，在保留WUT車隊(duì)風(fēng)格的基礎(chǔ)上，合理地運(yùn)用各項(xiàng)新技術(shù)，使賽車的性能有了很大的提高。

隨著中國大學(xué)生方程式汽車大賽的發(fā)展，越來越多的院校開始注重空氣動力學(xué)的研究，希望通過引入空氣動力學(xué)套件來提高賽車的控制性能和穩(wěn)定性，進(jìn)而提高賽車競賽成績?？諝鈩恿W(xué)套件主要由前翼、擴(kuò)散器、尾冀3個部分構(gòu)成?？諝鈩恿W(xué)套件可以利用空氣動力學(xué)原理增大賽車的負(fù)升力，而增大的負(fù)升力會作用在車輪上，使得車輪獲得更好的抓地力。研究表明，當(dāng)增大作用在輪胎上面的垂直載荷時，輪胎的側(cè)偏剛度也隨之提高[2]，側(cè)偏剛度越高輪胎可以承受的側(cè)向力也就越大，從而使得賽車的側(cè)向加速度以及過彎速度得以提高。

一、設(shè)計目標(biāo)

參考上賽季（2018賽季，下同）空氣動力學(xué)套件的優(yōu)點(diǎn)以及所遇到的問題，依據(jù)《2019中國大學(xué)生方程式大賽規(guī)則》，設(shè)計并優(yōu)化本賽季（2019賽季，下同）空氣動力學(xué)套件，設(shè)計目標(biāo)如下：

（一）優(yōu)化前、尾翼翼型結(jié)構(gòu)，使負(fù)升力較上賽季（2018賽季，下同）在相同速度下增加20%以上;

（二）優(yōu)化翼型內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)和空套連接方式，兼顧可靠性的同時通過輕量化來實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，預(yù)計使空氣動力學(xué)總套件質(zhì)量較上賽季減輕30%以上。

二、前翼設(shè)計

前翼是賽車空氣動力學(xué)套件的重要組成部件之一.一般由翼片和端板組成，主要作用是對氣流進(jìn)行引導(dǎo)，使氣流繞開賽車前輪，減小前輪的阻力，并增大賽車前部的下壓力。

（一）翼型的選擇：按照以往賽季積累的經(jīng)驗(yàn)以及對網(wǎng)上資料的查閱，在Profili翼型庫，通過對使用不同攻角時的翼型升力系數(shù)和阻力系數(shù)之間關(guān)系的對比分析，如圖1所示，可以看出所選翼型攻角在80到120時升力系數(shù)變化不大，但是阻力系數(shù)一直在增加，最終選取了CHlO翼型，主翼攻角為8°。又因?yàn)榍耙砜偣ソ窃?2.5。容易發(fā)生失速現(xiàn)象[3]，同時考慮到前翼總高度的規(guī)則要求，所以選擇襟翼攻角為20°。

（二）翼片相關(guān)參數(shù)以及間隙的選?。簠⒄铡?019中國大學(xué)生方程式大賽規(guī)則》中車身空套的相關(guān)規(guī)則，我們選取主翼寬度為1300mm，弦長為360mm;襟翼寬度為400mm，弦長240mm。主翼和第一片襟翼的間隙根據(jù)以往賽季的經(jīng)驗(yàn)約為5%的主翼弦長，取為18mm。并且所有規(guī)則要求的地方都進(jìn)行了倒圓角處理。

（三）前翼CATIA模型的建立：按照所選擇的翼型以及相關(guān)參數(shù)，參考上賽季的建模過程，通過CATIA軟件建立了前翼的三維模型，如圖2所示。

（四）前翼的優(yōu)化：在后續(xù)的整車模型組裝過程中發(fā)現(xiàn)，雖然前翼襟翼在滿足規(guī)則的情況下可以提供很多的下壓力，并且能有效整理氣流，但是由于襟翼總高度過高導(dǎo)致大量氣流被導(dǎo)走無法進(jìn)入側(cè)箱，進(jìn)而擴(kuò)散器進(jìn)氣量過小無法正常工作。所以我們繼續(xù)在符合規(guī)則的前提下對前冀襟翼進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計的格尼襟翼不僅美化了端板也增大了下壓力，前翼端板后部彎曲設(shè)計可以有效引導(dǎo)氣流避開前輪。最終確定主翼總高度為202mm，在留足離地間隙的情況下，滿足規(guī)則。優(yōu)化后前翼的主翼、襟翼結(jié)構(gòu)的空間布置如圖3所示，三維模型如圖4所示。

三、尾翼設(shè)計

尾冀也是賽車空套的重要組成部分之一，位于賽車末端，設(shè)計合理的尾翼提供的負(fù)升力幾乎可以占到整車的30%，為賽車在賽道上的平穩(wěn)行進(jìn)提高保障，在后輪上方提供的下壓力可以使動力輸出轉(zhuǎn)化為牽引力的效果更純粹。計劃設(shè)計一款三片式的尾翼，尾翼總長為900mm，端板總高630mm，總寬700mm。設(shè)計完成后經(jīng)過軟件裝配到整車上，符合比賽規(guī)則的要求。

（一）翼型的選擇：利用Profili軟件，通過對比多組低速翼型在不同雷諾數(shù)（速度數(shù)據(jù)來源：武漢理工大學(xué)WUT車隊(duì)車手組速度數(shù)據(jù)庫）下的綜合表現(xiàn)，升力系數(shù)和阻力系數(shù)的關(guān)系如圖5所示，最終確定CHlO為本賽季賽車的翼型。

（二）尾翼翼片相關(guān)參數(shù)及間隙的選?。夯谲嚿砜仗滓?guī)則，設(shè)計主冀弦長為400mm，第一副翼弦長250mm，第二副翼弦長為150mm。參考俞凱南等[4]對尾翼縫道參數(shù)進(jìn)行的研究，不同尾翼縫道下的尾翼氣動參數(shù)如表1所示，最終設(shè)計主冀和第一副翼之間的間隙為25mm，第一副翼與第二副冀的間隙為13mm。

從表1中可以看出，在適當(dāng)范圍內(nèi)增加翼縫的豎直距離，能夠改善尾翼的氣動特性。綜合尾翼氣動參數(shù)，最終選擇水平距離和豎直距離均為5%c來設(shè)計尾翼翼縫。

（三）后翼CATIA模型的建立：首先借鑒德國大學(xué)生方程式賽車的尾冀設(shè)計，結(jié)合所選擇的翼型以及相關(guān)參數(shù)，設(shè)計出較為符合車身的尾冀。細(xì)節(jié)處理方面，在尾翼端板尾部設(shè)置切口，可以引入氣流以平衡賽車尾部氣流，降低賽車空氣動力學(xué)敏感性。最后參考上賽季的建模過程，通過CATIA軟件建立了后翼的三維模型，如圖6所示。

（四）尾翼的優(yōu)化：本賽季預(yù)計設(shè)計出一款分區(qū)域可調(diào)式尾翼系統(tǒng)，將以尾翼中間的短板為界，將尾翼分為兩個部分，以實(shí)現(xiàn)在直道加速時調(diào)整翼片攻角使之失速，減少阻力，減少賽車加速時間;在賽車過彎時，利用左右翼片攻角不同而得到的阻力和下壓力不同來穩(wěn)定車身，使賽車過彎時車身更加平穩(wěn)、速度更高;在剎車時，增大翼片攻角與迎風(fēng)面積，提高尾翼所帶來的下壓力和阻力，輔助賽車的剎車系統(tǒng)。

四、擴(kuò)散器設(shè)計

擴(kuò)散器裝載在賽車底部，是賽車獲得負(fù)升力的主要來源之_。擴(kuò)散器利用流體流動速度快的地方壓強(qiáng)小的原理，通過截面積逐漸擴(kuò)大的流道將賽車底部的氣流分流疏導(dǎo)，使氣流逐漸加速導(dǎo)出，實(shí)現(xiàn)賽車底部氣流的加速，使得賽車底部形成低壓區(qū)，賽車上方的氣流氣壓大于底部的氣流氣壓，從而形成氣壓差，產(chǎn)生負(fù)升力并作用于車身，增加賽車的抓地力。結(jié)合賽車車身結(jié)構(gòu)，參照< 2019中國大學(xué)生方程式大賽規(guī)則》中相關(guān)規(guī)則，設(shè)計了-一款既滿足性能要求又美觀的擴(kuò)散器。最后通過CATIA軟件建立了擴(kuò)散器的三維模型，如圖7所示。

五、整車仿真分析

對一輛賽車而言，獨(dú)立地對空氣動力學(xué)套件進(jìn)行仿真分析的意義不大，只有將空氣動力學(xué)套件裝配在賽車上，對整車的外流場進(jìn)行分析討論，才能判斷賽車的空氣動力學(xué)特性是否可觀[5]。將空氣動力學(xué)套件裝配到賽車上進(jìn)行整車外流場分析，對結(jié)果進(jìn)行討論。

首先使用CATIA建立用于有限元分析的簡易模型，然后運(yùn)用ANSYS fluent模塊進(jìn)行賽車外流場分析。將簡易模型導(dǎo)入fluent模塊中后，對其設(shè)置兩個外殼，一個為賽車外流場區(qū)域，計算域入口邊界與賽車車身最前端的距離設(shè)置為車身長度的5倍，計算域出口邊界與賽車尾端的距離設(shè)置為車身長度的7倍。出口的距離距車尾設(shè)置較遠(yuǎn)，可以更好地模擬賽車在其尾部形成渦流的全過程，若距車尾太近，則尾部渦流在形成的過程中會受到計算域的影響，不能充分發(fā)展，甚至?xí)霈F(xiàn)回流現(xiàn)象，影響數(shù)值仿真的精度。計算域的寬度為賽車的4.5倍，高為賽車的5倍;另一個為網(wǎng)格加密區(qū)，如圖8所示，使用半模分析以簡化計算量。

并且在賽車表面設(shè)置三層邊界層網(wǎng)格，第—層網(wǎng)格大小采用Y+計算器得到的數(shù)據(jù)取整，為1mm，每層網(wǎng)格大小遞增1.2倍，具體參數(shù)如圖9所示。

分析時，車輛在流場中是不動的，但相對地面運(yùn)動，故設(shè)置地面為運(yùn)動地面，設(shè)置車速為60km/h，即地面運(yùn)動速度為60km/h，其他參數(shù)按車輛具體參數(shù)進(jìn)行填寫，保存設(shè)置開始計算。最終獲得仿真分析結(jié)果為整車負(fù)升力為403N （60km/h），較上賽季結(jié)果303N提高了約330玷。得到的整車流場如圖10所示。

由圖10可見，整車最大壓力位于前翼和尾翼。在整車外流場中，可以看到繞流主要為前車輪繞流和尾翼翼片繞流。對于不加裝前翼的賽車，車輪是整車氣動阻力的重要來源，加裝前冀之后，賽車前翼可對賽車前輪附近區(qū)域的氣流進(jìn)行引導(dǎo)，使氣流從車輪上方繞過，進(jìn)而降低以前輪車身以及賽車中前部的氣動阻力，增大負(fù)升力。加裝擴(kuò)散器后，賽車底部的氣流受擴(kuò)散器引導(dǎo)流動，加快流動速度，根據(jù)伯努力方程可以知道，流速大的地方壓強(qiáng)低，賽車底部加速流動的氣流會在賽車底部形成低壓區(qū)，與賽車上部氣流形成壓力差，進(jìn)而使賽車獲得巨大的負(fù)升力。此外，不加裝尾翼的話，氣流運(yùn)動到車手頭部位置開始分離，并于賽車尾部形成負(fù)壓區(qū)，負(fù)壓區(qū)會形成渦流，消耗能量。加裝尾翼后，氣流在尾翼后端發(fā)生分離，尾翼翼片部分氣流如圖中所示相對較穩(wěn)定。尾翼靠近擴(kuò)散器，外界氣流繞過頭枕位置時會分離并在尾翼翼片之下形成渦流，必然會干擾尾翼翼片下表面的負(fù)壓，使其減小，擴(kuò)散器中氣流速度加快，從而使擴(kuò)散器對賽車下方氣流的抽吸作用得以增強(qiáng)，進(jìn)一步加速賽車下方的氣流，增大賽車的負(fù)升力。并且尾翼創(chuàng)造的負(fù)壓越強(qiáng)、越靠近尾部擴(kuò)散器，加速車輛下方氣流的效果越顯著[6]。

本賽季設(shè)計的為可調(diào)式尾翼系統(tǒng)，結(jié)合賽事數(shù)據(jù)運(yùn)用控制變量的方法可以找到最優(yōu)的攻角角度變量。在直線加速時，左右襟翼均要將攻角調(diào)至0°，可以減少尾翼與空氣接觸面積以減少阻力，縮短加速時間，提高比賽成績;在剎車時，左右襟翼均要將攻角調(diào)至50°，增大尾翼與空氣接觸面積以增大阻力，在賽車尾部提供一個“拖拽力”，使剎車效率提高，縮短剎車時間和距離;在轉(zhuǎn)彎時，將內(nèi)測的尾翼攻角調(diào)制500，彎道外側(cè)的攻角調(diào)至200及以下，將可以獲得最佳的過彎速度優(yōu)化約為5-8km/。

將車速設(shè)置為40km/h、50km/h、70km/h、80km/h，再分別進(jìn)行幾組整車外流場分析，將最終得到的空套負(fù)升力數(shù)值與上一賽季同等速度下數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，所得結(jié)果如表2、圖11所示。

由表2、圖11可以看出，2019賽季與2018賽季相比，空氣動力學(xué)套件在相同速度下的負(fù)升力有了明顯提高，實(shí)現(xiàn)了負(fù)升力較上賽季增加20%以上的目標(biāo)。

六、輕量化

研究證明，汽車重量減輕將有利于降低汽車油耗，提升其加速性并且縮短其制動距離。出于安全性考慮，中國大學(xué)生方程式大賽規(guī)則對賽車最高車速有著一定的限制，在這種情況下想要提高競賽成績，就必須提高賽車的加速性能。而提高賽車的加速性能除了增加賽車的動力之外，減輕賽車總質(zhì)量也是一個重要方向。因此，輕量化也是目前中國大學(xué)生方程式賽車的發(fā)展趨勢。目前賽車輕量化研究方向主要有：材料輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化、制造輕量化和功能輕量化[7]。本文主要采用材料輕量化和制造輕量化方法達(dá)到輕量化的目的。

（一）材料輕量化：上賽季空氣動力學(xué)套件預(yù)埋件采用的是鋁合金材質(zhì)，重量較重，在經(jīng)過仔細(xì)考慮，驗(yàn)證安全可靠性之后，決定在本賽季空氣動力學(xué)套件的設(shè)計中，采用泡沫預(yù)埋件，在空氣動力學(xué)套件各組件形狀尺寸已做優(yōu)化的情況下大大減輕了預(yù)埋件的重量。并且在空套連接時也將鋁合金支架變成了碳纖維材料，達(dá)到空氣動力學(xué)套件輕量化的目的。

（二）制造輕量化：主要通過改變制造過程中的連接方式來實(shí)現(xiàn)輕量化，同時連接所使用的材料較上賽季也發(fā)生變化，達(dá)到了一定的輕量化目的。上賽季空套的連接方式為鋁合金支架連接，經(jīng)過對比分析之后決定，本賽季空套的連接方式改為碳纖維管連接。相同的截面積，碳纖維管能承受的載荷是鋁合金的數(shù)倍，同時考慮到在意外發(fā)生時，碳纖維在碰撞之后發(fā)生破碎時會直接變成碎片，不會對車手造成傷害，并且大量吸收碰撞時的能量，保護(hù)車手，在保證安全性、可靠性的同時進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了輕量化。

上賽季空氣動力學(xué)套質(zhì)量為20kg，本賽季經(jīng)過改用泡沫預(yù)埋件、改用碳纖維管連接后空氣動力學(xué)套質(zhì)量為11kg，較上賽季減輕45%，超過了預(yù)期，在保證可靠性的同時實(shí)現(xiàn)了輕量化，達(dá)到了節(jié)能減排的目標(biāo)。

結(jié)語

文章以武漢理工大學(xué)WUT車隊(duì)2019賽季賽車為例，利用CATIA軟件設(shè)計了符合大賽要求的空氣動力學(xué)套件，并利用ANSYS軟件fluent模塊對整車進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明所設(shè)計的空氣動力學(xué)套件不僅減少了一部分賽車前部的氣動阻力，還明顯增加了整車的負(fù)升力，有效提高了賽車的過彎速度和行駛穩(wěn)定性。在輕量化方面，在保證安全可靠的同時本賽季空氣動力學(xué)套件質(zhì)量較上賽季減重了45%，超過了預(yù)期的輕量化目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目的。此次設(shè)計的空氣動力學(xué)套件完全達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，最終助力武漢理工大學(xué)WUT車隊(duì)在2019中國大學(xué)生方程式汽車大賽中取得了本科組三等獎的成績。

參考文獻(xiàn)

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