大學(xué)生方程式賽車車身設(shè)計(jì)流程簡述

(西華大學(xué)西華學(xué)院 四川 成都 610039)

一、結(jié)構(gòu)方案選定與設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)定

(一)結(jié)構(gòu)方案的選定

方案的選擇涉及到經(jīng)費(fèi)、工藝、工時等問題，目前參賽的賽車車身結(jié)構(gòu)方案分為兩類：一是采用單體殼(Monocoque)，這種結(jié)構(gòu)可以在保證足夠強(qiáng)度的同時又極大地降低了整車質(zhì)量，但它的造價太過昂貴，故普及度低。二是采用車架作為框架來承受整車的大部分載荷，而在車架上安裝車身覆蓋件，此方案成本較低，為大多數(shù)車隊(duì)所采用，本文也以這種方案作為說明。

(二)設(shè)計(jì)目標(biāo)的設(shè)定

車身的設(shè)計(jì)目標(biāo)主要在強(qiáng)度、輕量化、安全性、氣動特性這幾個方面。為滿足強(qiáng)度和輕量化要求目前幾乎所有車隊(duì)都采用碳纖維和環(huán)氧樹脂結(jié)合而成的復(fù)合材料制作車身，該材料具有比重小、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)良特性。

車身的氣動特性是車身另一個非常重要的功能要求，良好的氣動特性要求有較小的空氣阻力，有助于降低賽車的功耗，提升行駛速度。車身的氣動特性目標(biāo)可根據(jù)賽車的動態(tài)性能要求來設(shè)定，也可同往年的動態(tài)表現(xiàn)或與表現(xiàn)優(yōu)異的賽車作比較來設(shè)定。

二、模型建立與初步調(diào)整

(一)車身三維模型建立

車身曲面要求過渡平順，隨著計(jì)算機(jī)輔助工程(Computer Aided Engineering,CAE)的發(fā)展，車身的三維建模等工作變得方便快捷。目前使用相對較多的是CATIA三維建模軟件的曲面設(shè)計(jì)模塊，通過該模塊中的創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)(Generative Shape Design)與自由曲面(Freestyle Surface)可輕松實(shí)現(xiàn)曲面的編輯和曲面光順，這極大地提高了工作效率。

車身的尺寸要符合大賽規(guī)則要求，因車身是覆蓋件，故在建立車身模型時要以車架的幾何參數(shù)作為參照，可在軟件中調(diào)出車架的三維模型，分別從正視、側(cè)視、俯視的角度進(jìn)行建模。在開始建模時可進(jìn)行草圖設(shè)計(jì)，不必表現(xiàn)所有細(xì)節(jié)，可先分別在車頭、駕駛艙、車尾這幾個部位勾勒幾根空間曲線，構(gòu)造曲線時，要分析其合適的位置關(guān)系，要求能體現(xiàn)一定的車身造型并符合懸架等其他部件的布置，造型可以一些理想形體為靈感設(shè)計(jì)[1]。基于這些曲線便可構(gòu)建造型曲面，通過曲面表現(xiàn)車身基本形態(tài)，盡量不要出現(xiàn)曲率變化過大的曲面。為方便后續(xù)的改動，在駕駛艙和車尾部分的曲面盡量簡單平順。建立基本形態(tài)后，對曲面進(jìn)行劃分，盡可能地表達(dá)車身曲面細(xì)節(jié)。因車身是對稱件，故可先構(gòu)建一半的曲面，之后通過對稱功能便可得到整個車身，這樣可大大節(jié)省建模時間。

(二)模型的初步修整

車身模型建立后要進(jìn)行修整，修改內(nèi)容較簡單，主要是為了修改其中的一些不合理的曲面，如過渡不平滑或有尖點(diǎn)的曲面，對于可能有質(zhì)量問題但肉眼不易識別的曲面可采用曲面CATIA曲面設(shè)計(jì)模塊中的分析功能進(jìn)行檢測。另外也要進(jìn)行初步的裝配檢測，檢測方法為在裝配情況下車身是否與其他部件存在干涉問題，如有干涉且在其他部件的安裝位置不可調(diào)的情況下便需要改動車身模型。

三、模型的仿真與優(yōu)化

在優(yōu)化階段需要對車身進(jìn)行空氣動力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要對車身進(jìn)行細(xì)節(jié)的修改。目前優(yōu)化方法主要有基于三維模型的計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化與基于實(shí)體模型的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，前者通過相關(guān)計(jì)算機(jī)仿真軟件來計(jì)算車身的外部流場情況，并由仿真結(jié)果在CATIA中對三維模型進(jìn)行修改，這種方法即時性強(qiáng)且成本低。后者則通過在風(fēng)洞中對1:1或1:2的實(shí)體模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并修改實(shí)體模型。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)成本太過高昂，目前只有極少數(shù)的車隊(duì)采用該方法[2]。

(一)車身空氣動力學(xué)仿真

目前使用較廣泛的商用CFD軟件是Fluent，該軟件包含十分豐富且經(jīng)過工程確認(rèn)的物理模型，并采用多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，使得Fluent能達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度[3]。

1.模型導(dǎo)入及流體域的設(shè)置

為了貼近實(shí)際，在仿真時需要導(dǎo)入整車模型，另因Fluent軟件采用基于完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的有限體積法，因此為了提高計(jì)算效率和計(jì)算精確度需要對不必要的整車內(nèi)部部件如電池系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等進(jìn)行刪除處理，另外需導(dǎo)入人體簡化模型，導(dǎo)入完成后需對模型進(jìn)行修復(fù)，確保封閉，隨后使用Symmetry命令與布爾運(yùn)算，保留一半的模型進(jìn)行仿真。

模型處理完畢后便設(shè)置流體域，流體域進(jìn)口距賽車前端約2-3倍車長，出口距車尾約6-7倍車長，高度為整車高度的6-7倍，寬度為整車寬度的5-7倍[4]。

2.網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是將模型轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格的集合，通過計(jì)算每個網(wǎng)格的物理參數(shù)來獲得物體表面的流體運(yùn)動情況，因此網(wǎng)格的質(zhì)量對仿真的結(jié)果有很大的影響。網(wǎng)格越小，計(jì)算結(jié)果越精確，但計(jì)算量與計(jì)算時間大大增加。此外網(wǎng)格的形狀結(jié)構(gòu)也會影響計(jì)算結(jié)果。在車身的外流場分析中，因車身曲面的不規(guī)則性我們常采用非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)大約在300-400萬之間，網(wǎng)格質(zhì)量一般不低于0.1[2]。

3.邊界條件的設(shè)置與物理模型選擇

邊界條件應(yīng)該盡可能與實(shí)際情況相符合，如流體的流速等。物理模型選用Realizable k-ε湍流模型。設(shè)置求解步數(shù)為1000，并計(jì)算。

4.仿真結(jié)果查看

當(dāng)計(jì)算結(jié)果收斂，則表示計(jì)算完成，此時可通過速度分布云圖、流線圖等查看模型周圍的流場情況、壓力分布情況、速度分布情況以及阻力系數(shù)與升力系數(shù)等。

(二)車身模型的優(yōu)化

根據(jù)仿真結(jié)果與設(shè)定目標(biāo)進(jìn)行對比，如未達(dá)到理想目標(biāo)則可通過兩種方式進(jìn)行改善：一是對車身的部分區(qū)域進(jìn)行修改，可查閱相關(guān)資料修改。二是通過加裝空氣動力學(xué)套件來減少輪胎所受的空氣阻力和提高負(fù)升力。空套的設(shè)計(jì)分析可參照文獻(xiàn)[5]。

四、結(jié)論

高效的車身設(shè)計(jì)流程有助于節(jié)省工時，提高車身設(shè)計(jì)質(zhì)量。本文針對方程式賽車車身的設(shè)計(jì)流程做了概述，對車身設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案選擇和設(shè)計(jì)目標(biāo)做了較詳細(xì)地講解，著重對三維建模和仿真做了講解，本文所講述的設(shè)計(jì)過程在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)過程基礎(chǔ)上加入了自我的實(shí)踐總結(jié)，由設(shè)計(jì)出的賽車表現(xiàn)來看，此過程正確，對初次設(shè)計(jì)者有一定的參考意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]江濤.汽車車身氣動造型設(shè)計(jì)優(yōu)化[D].長沙:湖南大學(xué),2011.

[2]賀曉斌.大學(xué)生方程式賽車車身氣動造型的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].太原:中北大學(xué).2016.

[3]唐家鵬.FLUENT14.0超級學(xué)習(xí)手冊[M].北京:人民郵電出版社,2013.4(2013.7重印).

[4]Robert Weingart。On-Track Testing as a Validation Method of Computational Fluid Dynamic Simulations of a Formula SAE Vehicle[D]．Lawrence：the University of Kansas，2015

[5]朱發(fā)旺.FSC賽車車身空氣動力學(xué)特性分析研究[D].太原:中北大學(xué).2017.