FSAE賽車前翼優(yōu)化設(shè)計(jì)及成型

王澤坤 杜曉宇 王雷剛

摘 要：保證整車的氣動(dòng)力平衡，從前后軸荷比出發(fā)，通過氣動(dòng)力矩計(jì)算，計(jì)算得到的目標(biāo)下壓力值.結(jié)合CFD分析，通過翼片在不同位置的布置，實(shí)現(xiàn)前翼輪胎的繞流，達(dá)到減小輪胎阻力和負(fù)升力的目的。選用的主要制作工藝為手糊抽真空工藝。在制作空氣動(dòng)力學(xué)套件的模具設(shè)計(jì)中，考慮到前翼翼片翼型和弦長都大致相同，故模具應(yīng)該可以多次使用，選用3D打印的方法制作模具。

關(guān)鍵詞：空氣動(dòng)力學(xué)套件;氣動(dòng)力平衡;手糊抽真空;3D打印

0 引言

SAE（Formula SAE）起源于1948年，目的是在一年內(nèi)制造出一輛具有在加速，制動(dòng)，操縱性等方面具有優(yōu)良性能的賽車[1]。

中國大學(xué)生方程式汽車大賽的空氣動(dòng)力學(xué)裝置主要包括前翼，尾翼，擴(kuò)散器以及一些布置于整車上用于導(dǎo)流的翼片，其中前翼的作用主要為提供賽車前部下壓力，保持整車前后的氣動(dòng)力平衡，同時(shí)對于來流進(jìn)行氣流的規(guī)劃，使氣流繞開輪胎，從而減小整車阻力和負(fù)升力。

1 FSAE前翼設(shè)計(jì)目標(biāo)

（1）保證整車的氣動(dòng)力平衡，從前后軸荷比出發(fā)，通過氣動(dòng)力矩計(jì)算，計(jì)算得到的目標(biāo)下壓力值，在設(shè)計(jì)初期，所確定的賽車的前后軸荷比為47∶53，目標(biāo)整車下壓力為600N（20m/s直線工況下），故計(jì)算所得到的目標(biāo)前翼下壓力為232.6N（20m/s工況下），計(jì)算過程如下：

已知條件：賽車軸距1550mm，前后軸荷比47：53

計(jì)算：20m/s的工況之下

前輪距質(zhì)心的距離：

后輪距質(zhì)心的距離：

后輪風(fēng)壓中心距質(zhì)心距離：728.5+

前輪分壓中心距質(zhì)心距離：

設(shè)定在20m/s的工況下，尾翼的下壓力是350N

俯仰力矩：350

前翼下壓力：307475[3]

（2）結(jié)合CFD分析，通過翼片上的不同位置的布置，實(shí)現(xiàn)輪胎的繞流，達(dá)到減小輪胎阻力和負(fù)升力的目的[4]。

2 前翼單件三維建模設(shè)計(jì)

采用CATIA創(chuàng)成式外形設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行前翼三維建模，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及所查閱到的資料，將前翼正投影方向可分做三段，分別為車鼻下方前翼區(qū)段，輪胎前方區(qū)段，以及介于兩個(gè)區(qū)段之間的區(qū)段，該段主要是對后方側(cè)箱或者側(cè)翼部分的氣流造成影響。

根據(jù)不同區(qū)段所產(chǎn)生的不同空氣流動(dòng)的特點(diǎn)，分別從翼型庫中選擇不同的翼型，具體的分別為CH10與GEO430，布置在不同的區(qū)間。

吸收電動(dòng)FE賽車的經(jīng)驗(yàn)，前翼端板采取內(nèi)收式設(shè)計(jì)，造型新穎獨(dú)特，同時(shí)可以很好的規(guī)避車輪前部的氣流，在襟翼布置方面，在輪胎前段布置較大攻角的小翼片，便于氣流的上揚(yáng)繞過輪胎，在上部布置小型懸空的翼片，補(bǔ)充前翼下壓力。

3 前翼單件CFD仿真

ANSYS軟件來進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)仿真，使用icem-cfd進(jìn)行網(wǎng)格劃分，之后將畫好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入fluent中進(jìn)行求解。

在進(jìn)行網(wǎng)格劃分前，對前翼模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕啞Ｔ诒ＷC其氣動(dòng)特性的同時(shí)，盡可能降低網(wǎng)格數(shù)量，同時(shí)使得劃分出的網(wǎng)格質(zhì)量較高，對前翼不同的面進(jìn)行網(wǎng)格尺寸的劃分，設(shè)置邊界層，引入Y+值計(jì)算，確定初始邊界層高度，確定所需要的邊界層層數(shù)，設(shè)置密度盒，加密前翼附近體網(wǎng)格的尺寸，使得計(jì)算結(jié)果更加的精確，對計(jì)算后的結(jié)果通過繼續(xù)修改面網(wǎng)格尺寸或者調(diào)整線網(wǎng)格尺寸來提高網(wǎng)格質(zhì)量[7，8]。

將生成的網(wǎng)格文件導(dǎo)入fluent中進(jìn)行運(yùn)算，所選用的物理模型為低雷諾數(shù)的SST k-0模型進(jìn)行運(yùn)算，設(shè)置風(fēng)洞進(jìn)口為速度進(jìn)口，氣體流速為20m/s，設(shè)置風(fēng)動(dòng)出口為壓力出口，地面為移動(dòng)地面 moving wall，最后進(jìn)行初始化，保存設(shè)置開始計(jì)算[5]。

對fluent求解出的結(jié)果進(jìn)行后處理，得到流線圖，根據(jù)圖中流線的軌跡可以定性的看出風(fēng)洞中的氣流經(jīng)過前翼上揚(yáng)，大部分氣流繞過賽車輪胎，避免了賽車輪胎上直接撞風(fēng)，通過fluent中的result report功能可以定量的查看前翼的下壓力值，將多組平行分析結(jié)果的前翼下壓力值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到下壓力統(tǒng)計(jì)值，設(shè)計(jì)流程采用控制單一變量的方法，結(jié)合流線圖跡線與讀出的下壓力值，來指導(dǎo)三維模型的修改與優(yōu)化，通過調(diào)整前翼主翼的攻角來增加前翼下壓力值，通過調(diào)整襟翼攻角來改變主翼上翼面氣流流向來實(shí)現(xiàn)較好效果的輪胎繞流效果，經(jīng)過多次的修改與仿真流程，最終定稿前翼下壓力值為249N（20m/s工況下），最終設(shè)計(jì)符合目標(biāo)一，目標(biāo)二[6]。

4 前翼的空心翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前翼的結(jié)構(gòu)采用空心翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在保證空心翼強(qiáng)度與剛度的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)輕量化，使用3D打印件與鋁合金件作為翼肋，使用碳纖維空心管作為翼梁。

5 成型工藝的選擇

在當(dāng)前車隊(duì)所允許的條件下，所選用的材料為進(jìn)口3K240克真碳纖維布非定型布，布的織造方式為斜紋，該布具有較好的延展性，所選用的樹脂類型易拓復(fù)合材料公司所提供的YT-CC301型樹脂，該種樹脂在一定比例混合的條件下，具有凝固速度快，發(fā)熱量大的特點(diǎn)，留給加工者的可操作時(shí)間短，與碳纖維材料混合所制成的復(fù)合件強(qiáng)度高，硬度大。結(jié)合該種樹脂時(shí)凝固時(shí)所具有的特點(diǎn)與我們使用的3K240克的碳纖維布，最終確定的制作工藝為手糊抽真空工藝[9]。

手糊抽真空工藝的制作方法：

模具表面處理階段：模具表面手工刮涂汽車汽修灰，之后進(jìn)行打磨，使得模具表面符合成型表面粗糙度的要求。

準(zhǔn)備階段：在成型模具表面涂抹脫模臘，待模具表面脫模臘風(fēng)干硬化即可。裁剪所需要尺寸碳纖維布吸膠氈等，準(zhǔn)備按比例調(diào)樹脂所需要的電子秤、量杯、攪拌棒等。

手糊抽真空階段：在模具表面上面鋪設(shè)碳纖維布，每鋪設(shè)一層碳布相應(yīng)在碳布表面刷一層樹脂。待碳纖維布鋪設(shè)完畢，鋪設(shè)透氣氈，最后鋪設(shè)吸膠氈，用密封袋對模具周邊進(jìn)行密封，連接真空泵進(jìn)行抽真空，待24小時(shí)之后，樹脂完全固化，對抽真空制作的翼片進(jìn)行脫模處理[10]。

6 模具的設(shè)計(jì)與加工

在前翼成型的模具的設(shè)計(jì)中，考慮到前翼翼片翼型和弦長都大致相同，故模具應(yīng)該可以多次使用，故選用3D打印的方法制作模具，所選用的材質(zhì)為塑料材質(zhì)，這樣就可以保證翼片模具的多次重復(fù)使用。選用陰模與陽模作為前翼成型的設(shè)計(jì)方案，陰模制造翼片的下半部分，陽模制造翼片的上半部分，最終上下翼片合模，使前翼成型。

參考文獻(xiàn)

[1]中國汽車工程協(xié)會(huì).中國FSAE大賽規(guī)則（2018）公示版[S].2016：23-41.

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[3]張英朝.汽車空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2011-6.

[4]傅立敏.汽車設(shè)計(jì)與空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.

[5]付艷恕，王震.FSC賽車尾翼攻角對彎道性能影響的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2018（05）：261-265.

[6]吳超，鄧召文，王迪.FSC方程式賽車空氣動(dòng)力學(xué)套件性能分析[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015（02）：28-32.

[7]X Lu.Research on the flow field around a formula SAE car[J].Sae Technical Papers，2015.

[8]X H Cheng.et al.Numerical Analysis of an External Flow-Field around a Formula SAE Car Body Based on FLUENT[J].Advanced MaterialsResearch，2014，1039：17-24.

[9]陳維常.車用非金屬材料教程[M].北京：理工大學(xué)出版社，

1998.

[10]王宏雁，陳君毅.汽車車身輕量化結(jié)構(gòu)與輕質(zhì)材料[M].北京：北京大學(xué)出版社，2009.

基金項(xiàng)目：本文系江蘇大學(xué) 第18批大學(xué)生科研課題資助項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：18B001

作者簡介：王澤坤（1999-），男，山西大同人，本科在讀，研究方向：材料成型及控制工程。

指導(dǎo)老師：王雷剛