基于方程式賽車的車身改進設計

夏 威，張 忠，林進權

（九江學院機械與材料工程學院，江西 九江332005）

0 引言

通過對當前FSAE賽事進行研究后發現，有關FSAE賽車車身及空套設計是提升整車性能的重點內容，同時，優化車身造型設計也有助于賽車新技術的研發。故本文基于原來的整車設計，對車身進行重新設計加裝前翼和尾翼，以提升賽車在行駛過程中的下壓力和操縱穩定性。

1 未安裝空套的賽車外流場模擬分析

1.1 整體賽車三維模型的簡化

本次設計選用CATIA來建模。首先對方程式賽車裝配細節進行簡化，具體修改措施如下：將賽車的車架和前后懸架刪除，相關的組裝配件也忽略；將車身內的傳動和制動部件刪除，車身內部繪制成封閉的實體；將座椅、電機和相關零部件刪除，用實體封閉駕駛艙；將車輪簡化為尺寸與實際輪胎一致的圓柱體，與地面接觸部分畫成凸臺，模擬此時輪胎的變形。最終，滿足仿真要求三維模型的簡化如圖1所示[1]。

圖1 簡化的三維模型

1.2 模型前處理

現將流體域的尺寸設計為：賽車最前端距離入口的長度為整車長度的3倍，最尾端距離出口的長度為整車長度的6倍，兩側距離左右壁面的長度為車寬的7倍，流體域高度為車高5倍，輪胎與地面平行。由于賽車車身造型曲面復雜不規則，優先使用非結構化網格劃分流體域[2]。

入口處的速度值為25 m/s，湍流強度5%，湍流粘度比10；出口處的壓力值為0，湍流強度5%，湍流粘度比10；固定壁面為無滑移條件；地面為移動邊界，數值為25 m/s；迭代步數設置為1 000，開始計算。

1.3 空氣動力學特性分析

最終計算結果為：風阻系數Cd=0.634，升力系數Cl=0.325，氣動升力=126.4 N，氣動阻力 =197.6 N，符合大學生方程式賽車的設計規則。利用Fluent軟件進行后處理，更直觀地了解賽車的空氣動力學特性[3]。

由圖2可知，未安裝空套的賽車在行駛過程中，車身前端、賽車前輪以及駕駛員這三個位置為主要迎風面上受到壓力值較大的地方，這幾個部位的正壓梯度變化較大。由于沒有前翼的引流作用，氣流直接沖擊到前輪上，使得前輪受到的氣動阻力最大，同時氣動升力也是最大。

圖2 賽車表面壓力云圖

接著分析對稱面處氣流運動情況如圖3所示。當氣流運動到駕駛員頭部時其正壓值較大，在比賽過程中，由于賽車的速度不斷變化，氣流對駕駛員頭部的作用也不斷變化，會阻礙賽車手正常發揮。因此在賽車尾部加裝尾翼很有必要。

圖3 賽車對稱面流線圖

2 翼型設計及整車外流場模擬分析

2.1 前翼設計

因為賽車周圍的雷諾數比較低，所以應選擇低雷諾數，低速的翼型。為了簡化翼型設計難度，在經過國內外研究和參考其他強隊給出的經驗后，選擇為前翼的主翼，弦長400 mm，攻角α1=2°；GOE430為前翼的輔翼，弦長200 mm，攻角α2=30°，第二輔翼攻角α3=39°。如圖4所示[4]。

圖4 前翼實體模型

2.2 尾翼設計

提高尾翼帶來的氣動壓力可以通過增加翼型表面積、增加翼型弧度和采用組合翼的形式[5]。

尾翼也采用三個翼片的形式，主翼攻角，主翼與襟翼之間的間隙控制在10 mm左右如圖5所示。

圖5 尾翼實體模型

2.3 帶空套的賽車CFD分析

在原來賽車模型的基礎上，對賽車加裝空氣動力學套件，包括前翼和尾翼如圖5所示，接著按同樣的方法進行CFD仿真分析并將所有設置的條件與前文里的一致。

計算結果為：風阻系數Cd=0.813，升力系數Cl=-1.126，氣動升力=-573.1 N，氣動阻力=274.3 N。對比前后可知：風阻系數增加了0.179，升力系數減少了1.451，氣動升力減少699.5 N，氣動阻力增加了76.7 N。

由圖6所示的賽車表面壓力云圖可知，在氣流作用下，賽車的前翼和尾翼處形成兩個高壓區。通過對比發現，前輪受到的壓力明顯減少，而前后尾翼處的壓力適當，形成的壓力差為車身帶來一定的下壓力。在前后翼的引流作用下，氣動阻力和氣動升力都降低，氣動平順性較好，除兩個高壓區外，壓力分布也比較均勻，整車的氣動特性得到很好的改善。

圖6 賽車表面壓力云圖

從對稱面的流線圖圖7來看，在斷面處和駕駛員頭部后產生的渦流帶來的影響降低了許多，在尾翼處形成的壓力差為賽車提供下壓力。

圖7 賽車對稱面流線圖

3 結論

通過對未安裝空套的賽車進行外流場模擬分析，提出加裝空套的設想，結合翼型設計原理，設計了前翼和尾翼，前后對比發現，加裝空套可以讓賽車在過彎時獲得較大的下壓力，在比賽時有更加優異的表現，從而獲得較好的比賽成績。