大學生方程式賽車空氣動力學套件設計

王世權 張一鳴 任豪放

摘要：增加賽車負升力，提高賽車穩定性，實現賽車輕量化。以武漢理工大學WUT車隊2019賽季賽車為例，利用CATIA軟件創建空氣動力學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套件的整車進行外流場分析，將結果與上賽季數據進行對比，觀察賽車空氣動力學特性。賽車負升力較上賽季增加20%以上;空套總質量較上賽季減輕40%以上。有效地提高了賽車的過彎速度和行駛穩定性，在保證安全性、可靠性的同時進一步實現了輕量化，為賽車設計提供參考。

關鍵詞：大學生方程式賽車 空氣動力學套件 負升力 仿真分析 輕量化

中圖分類號：U463.99

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069 （2020） 07-0008-03

引言

中國大學生方程式汽車大賽要求各參賽車隊遵照大賽規則，在為期一年的時間里，車隊全體成員一起設計，并制造出一輛性能優異的賽車，最后到參賽場地爭取成功完成全部或部分賽事環節[1]。自中國大學生方程式汽車大賽開辦以來，武漢理工大學WUT車隊始終積極參賽，有過輝煌的成績，也有過失敗的教訓，2019賽季的賽車，在保留WUT車隊風格的基礎上，合理地運用各項新技術，使賽車的性能有了很大的提高。

隨著中國大學生方程式汽車大賽的發展，越來越多的院校開始注重空氣動力學的研究，希望通過引入空氣動力學套件來提高賽車的控制性能和穩定性，進而提高賽車競賽成績。空氣動力學套件主要由前翼、擴散器、尾冀3個部分構成。空氣動力學套件可以利用空氣動力學原理增大賽車的負升力，而增大的負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，當增大作用在輪胎上面的垂直載荷時，輪胎的側偏剛度也隨之提高[2]，側偏剛度越高輪胎可以承受的側向力也就越大，從而使得賽車的側向加速度以及過彎速度得以提高。

一、設計目標

參考上賽季（2018賽季，下同）空氣動力學套件的優點以及所遇到的問題，依據《2019中國大學生方程式大賽規則》，設計并優化本賽季（2019賽季，下同）空氣動力學套件，設計目標如下：

（一）優化前、尾翼翼型結構，使負升力較上賽季（2018賽季，下同）在相同速度下增加20%以上;

（二）優化翼型內部支撐結構和空套連接方式，兼顧可靠性的同時通過輕量化來實現節能減排，預計使空氣動力學總套件質量較上賽季減輕30%以上。

二、前翼設計

前翼是賽車空氣動力學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行引導，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驗以及對網上資料的查閱，在Profili翼型庫，通過對使用不同攻角時的翼型升力系數和阻力系數之間關系的對比分析，如圖1所示，可以看出所選翼型攻角在80到120時升力系數變化不大，但是阻力系數一直在增加，最終選取了CHlO翼型，主翼攻角為8°。又因為前翼總攻角在22.5。容易發生失速現象[3]，同時考慮到前翼總高度的規則要求，所以選擇襟翼攻角為20°。

（二）翼片相關參數以及間隙的選取：參照《2019中國大學生方程式大賽規則》中車身空套的相關規則，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以往賽季的經驗約為5%的主翼弦長，取為18mm。并且所有規則要求的地方都進行了倒圓角處理。

（三）前翼CATIA模型的建立：按照所選擇的翼型以及相關參數，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）前翼的優化：在后續的整車模型組裝過程中發現，雖然前翼襟翼在滿足規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致大量氣流被導走無法進入側箱，進而擴散器進氣量過小無法正常工作。所以我們繼續在符合規則的前提下對前冀襟翼進行優化，設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計可以有效引導氣流避開前輪。最終確定主翼總高度為202mm，在留足離地間隙的情況下，滿足規則。優化后前翼的主翼、襟翼結構的空間布置如圖3所示，三維模型如圖4所示。

三、尾翼設計

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

（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（速度數據來源：武漢理工大學WUT車隊車手組速度數據庫）下的綜合表現，升力系數和阻力系數的關系如圖5所示，最終確定CHlO為本賽季賽車的翼型。

（二）尾翼翼片相關參數及間隙的選取：基于車身空套規則，設計主冀弦長為400mm，第一副翼弦長250mm，第二副翼弦長為150mm。參考俞凱南等[4]對尾翼縫道參數進行的研究，不同尾翼縫道下的尾翼氣動參數如表1所示，最終設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，在適當范圍內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，最終選擇水平距離和豎直距離均為5%c來設計尾翼翼縫。

（三）后翼CATIA模型的建立：首先借鑒德國大學生方程式賽車的尾冀設計，結合所選擇的翼型以及相關參數，設計出較為符合車身的尾冀。細節處理方面，在尾翼端板尾部設置切口，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）尾翼的優化：本賽季預計設計出一款分區域可調式尾翼系統，將以尾翼中間的短板為界，將尾翼分為兩個部分，以實現在直道加速時調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定車身，使賽車過彎時車身更加平穩、速度更高;在剎車時，增大翼片攻角與迎風面積，提高尾翼所帶來的下壓力和阻力，輔助賽車的剎車系統。

四、擴散器設計

擴散器裝載在賽車底部，是賽車獲得負升力的主要來源之_。擴散器利用流體流動速度快的地方壓強小的原理，通過截面積逐漸擴大的流道將賽車底部的氣流分流疏導，使氣流逐漸加速導出，實現賽車底部氣流的加速，使得賽車底部形成低壓區，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，產生負升力并作用于車身，增加賽車的抓地力。結合賽車車身結構，參照< 2019中國大學生方程式大賽規則》中相關規則，設計了-一款既滿足性能要求又美觀的擴散器。最后通過CATIA軟件建立了擴散器的三維模型，如圖7所示。

五、整車仿真分析

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

首先使用CATIA建立用于有限元分析的簡易模型，然后運用ANSYS fluent模塊進行賽車外流場分析。將簡易模型導入fluent模塊中后，對其設置兩個外殼，一個為賽車外流場區域，計算域入口邊界與賽車車身最前端的距離設置為車身長度的5倍，計算域出口邊界與賽車尾端的距離設置為車身長度的7倍。出口的距離距車尾設置較遠，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，不能充分發展，甚至會出現回流現象，影響數值仿真的精度。計算域的寬度為賽車的4.5倍，高為賽車的5倍;另一個為網格加密區，如圖8所示，使用半模分析以簡化計算量。

并且在賽車表面設置三層邊界層網格，第—層網格大小采用Y+計算器得到的數據取整，為1mm，每層網格大小遞增1.2倍，具體參數如圖9所示。

分析時，車輛在流場中是不動的，但相對地面運動，故設置地面為運動地面，設置車速為60km/h，即地面運動速度為60km/h，其他參數按車輛具體參數進行填寫，保存設置開始計算。最終獲得仿真分析結果為整車負升力為403N （60km/h），較上賽季結果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域的氣流進行引導，使氣流從車輪上方繞過，進而降低以前輪車身以及賽車中前部的氣動阻力，增大負升力。加裝擴散器后，賽車底部的氣流受擴散器引導流動，加快流動速度，根據伯努力方程可以知道，流速大的地方壓強低，賽車底部加速流動的氣流會在賽車底部形成低壓區，與賽車上部氣流形成壓力差，進而使賽車獲得巨大的負升力。此外，不加裝尾翼的話，氣流運動到車手頭部位置開始分離，并于賽車尾部形成負壓區，負壓區會形成渦流，消耗能量。加裝尾翼后，氣流在尾翼后端發生分離，尾翼翼片部分氣流如圖中所示相對較穩定。尾翼靠近擴散器，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壓，使其減小，擴散器中氣流速度加快，從而使擴散器對賽車下方氣流的抽吸作用得以增強，進一步加速賽車下方的氣流，增大賽車的負升力。并且尾翼創造的負壓越強、越靠近尾部擴散器，加速車輛下方氣流的效果越顯著[6]。

本賽季設計的為可調式尾翼系統，結合賽事數據運用控制變量的方法可以找到最優的攻角角度變量。在直線加速時，左右襟翼均要將攻角調至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;在轉彎時，將內測的尾翼攻角調制500，彎道外側的攻角調至200及以下，將可以獲得最佳的過彎速度優化約為5-8km/。

將車速設置為40km/h、50km/h、70km/h、80km/h，再分別進行幾組整車外流場分析，將最終得到的空套負升力數值與上一賽季同等速度下數據進行比較，所得結果如表2、圖11所示。

由表2、圖11可以看出，2019賽季與2018賽季相比，空氣動力學套件在相同速度下的負升力有了明顯提高，實現了負升力較上賽季增加20%以上的目標。

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，中國大學生方程式大賽規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，減輕賽車總質量也是一個重要方向。因此，輕量化也是目前中國大學生方程式賽車的發展趨勢。目前賽車輕量化研究方向主要有：材料輕量化、結構輕量化、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到輕量化的目的。

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

（二）制造輕量化：主要通過改變制造過程中的連接方式來實現輕量化，同時連接所使用的材料較上賽季也發生變化，達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倍，同時考慮到在意外發生時，碳纖維在碰撞之后發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，保護車手，在保證安全性、可靠性的同時進一步實現了輕量化。

上賽季空氣動力學套質量為20kg，本賽季經過改用泡沫預埋件、改用碳纖維管連接后空氣動力學套質量為11kg，較上賽季減輕45%，超過了預期，在保證可靠性的同時實現了輕量化，達到了節能減排的目標。

結語

文章以武漢理工大學WUT車隊2019賽季賽車為例，利用CATIA軟件設計了符合大賽要求的空氣動力學套件，并利用ANSYS軟件fluent模塊對整車進行仿真分析，結果表明所設計的空氣動力學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升力，有效提高了賽車的過彎速度和行駛穩定性。在輕量化方面，在保證安全可靠的同時本賽季空氣動力學套件質量較上賽季減重了45%，超過了預期的輕量化目標，實現了節能減排的目的。此次設計的空氣動力學套件完全達到了預期目標，最終助力武漢理工大學WUT車隊在2019中國大學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

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