大學生方程式賽車車身設計流程簡述

(西華大學西華學院 四川 成都 610039)

一、結構方案選定與設計目標設定

(一)結構方案的選定

方案的選擇涉及到經(jīng)費、工藝、工時等問題，目前參賽的賽車車身結構方案分為兩類：一是采用單體殼(Monocoque)，這種結構可以在保證足夠強度的同時又極大地降低了整車質量，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)車隊所采用，本文也以這種方案作為說明。

(二)設計目標的設定

車身的設計目標主要在強度、輕量化、安全性、氣動特性這幾個方面。為滿足強度和輕量化要求目前幾乎所有車隊都采用碳纖維和環(huán)氧樹脂結合而成的復合材料制作車身，該材料具有比重小、強度高、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可根據(jù)賽車的動態(tài)性能要求來設定，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定。

二、模型建立與初步調整

(一)車身三維模型建立

車身曲面要求過渡平順，隨著計算機輔助工程(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計模塊，通過該模塊中的創(chuàng)成式外形設計(Generative Shape Design)與自由曲面(Freestyle Surface)可輕松實現(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，可在軟件中調出車架的三維模型，分別從正視、側視、俯視的角度進行建模。在開始建模時可進行草圖設計，不必表現(xiàn)所有細節(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，構造曲線時，要分析其合適的位置關系，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計[1]。基于這些曲線便可構建造型曲面，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，對曲面進行劃分，盡可能地表達車身曲面細節(jié)。因車身是對稱件，故可先構建一半的曲面，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行修整，修改內容較簡單，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的曲面，對于可能有質量問題但肉眼不易識別的曲面可采用曲面CATIA曲面設計模塊中的分析功能進行檢測。另外也要進行初步的裝配檢測，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行空氣動力學優(yōu)化設計，主要對車身進行細節(jié)的修改。目前優(yōu)化方法主要有基于三維模型的計算機仿真優(yōu)化與基于實體模型的風洞實驗，前者通過相關計算機仿真軟件來計算車身的外部流場情況，并由仿真結果在CATIA中對三維模型進行修改，這種方法即時性強且成本低。后者則通過在風洞中對1:1或1:2的實體模型進行實驗并修改實體模型。風洞實驗成本太過高昂，目前只有極少數(shù)的車隊采用該方法[2]。

(一)車身空氣動力學仿真

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，使得Fluent能達到最佳的收斂速度和求解精度[3]。

1.模型導入及流體域的設置

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

模型處理完畢后便設置流體域，流體域進口距賽車前端約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)格劃分是將模型轉換為網(wǎng)格的集合，通過計算每個網(wǎng)格的物理參數(shù)來獲得物體表面的流體運動情況，因此網(wǎng)格的質量對仿真的結果有很大的影響。網(wǎng)格越小，計算結果越精確，但計算量與計算時間大大增加。此外網(wǎng)格的形狀結構也會影響計算結果。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構性網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)大約在300-400萬之間，網(wǎng)格質量一般不低于0.1[2]。

3.邊界條件的設置與物理模型選擇

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

4.仿真結果查看

當計算結果收斂，則表示計算完成，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)仿真結果與設定目標進行對比，如未達到理想目標則可通過兩種方式進行改善：一是對車身的部分區(qū)域進行修改，可查閱相關資料修改。二是通過加裝空氣動力學套件來減少輪胎所受的空氣阻力和提高負升力。空套的設計分析可參照文獻[5]。

四、結論

高效的車身設計流程有助于節(jié)省工時，提高車身設計質量。本文針對方程式賽車車身的設計流程做了概述，對車身設計結構方案選擇和設計目標做了較詳細地講解，著重對三維建模和仿真做了講解，本文所講述的設計過程在標準設計過程基礎上加入了自我的實踐總結，由設計出的賽車表現(xiàn)來看，此過程正確，對初次設計者有一定的參考意義。

【參考文獻】

[1]江濤.汽車車身氣動造型設計優(yōu)化[D].長沙:湖南大學,2011.

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

[3]唐家鵬.FLUENT14.0超級學習手冊[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特性分析研究[D].太原:中北大學.2017.