FSAC赛车车身空套设计和仿真分析.pdf
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1、第43卷第4期 辽宁工业大学学报(自然科学版)Vol.43,No.4 2023 年 8 月 Journal of Liaoning University of Technology(Natural Science Edition)Aug.2023 收稿日期:2022-08-28 基金项目:国家自然科学基金面上项目(51675257);辽宁省教育厅高等学校国(境)外培养项目(2018LNGXGJWPY-YB014)作者简介:田甜(1992-),女,辽宁葫芦岛人,硕士生。李刚(1979-),男,辽宁朝阳人,教授,博士。DOI:10.15916/j.issn1674-3261.2023.04.003
2、 FSAC 赛车车身空套设计和仿真分析 田 甜1,李 刚1,张志强1,张 东2(1.辽宁工业大学 汽车与交通工程学院,辽宁 锦州 121001;2.林肯大学,英国林肯市 LN1 1AB)摘 要:针对 FSAC 赛车在高速行驶时的空气动力学性能问题,进行了车身和空气动力学空套设计和仿真分析的研究。车身设计灵感来源于海豚,进行草绘建模等前期工作。空气动力学套件设计了前翼和尾翼,通过理论计算设计前后轴轴荷分配,根据目标值在 Profili 软件里进行翼片的选型,对比不同攻角下的翼片组合状态。在ANSYS-Fluent 软件中设计不同速度的仿真工况,优化出前翼攻角主翼、襟翼分别为 6、45,尾翼攻角主
3、翼、襟翼、小襟翼分别为 15、25、60时,对比有无空套时各方案的整车外流场气动性能。仿真结果和实车实验表明,赛车具有良好的空气动力学性能,在 20 m/s 时,赛车的下压力达到 478.402 N,升阻比达到 2.65,赛车可获得较高的车速和良好的操纵稳定性。关键词:FSAC 赛车;空气动力学;整车外流场;升阻比 中图分类号:U469.6+96 文献标识码:A 文章编号:1674-3261(2023)04-0221-07 Design and Simulation Analysis of FSAC Racing Aerodynamic Kit TIAN Tian1,LI Gang1,ZHAN
4、G Zhi-qiang1,ZHANG Dong2(1.School of Automobile and Traffic Engineering,Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China;2.Lincoln University,Lincoln,United Kingdom,LN1 1AB)Abstract:Aiming at the aerodynamic performance of FSAC racing car at high speed,the design and simulation analysis of the
5、 body and aerodynamic sleeve were studied.The body design was inspired by dolphins,and preliminary work such as sketch modeling was carried out,and the front wing and rear wing in the aerodynamics kit were designed,and the fins were selected in the Profili software according to the target value,and
6、the combination states of the fins under different attack angles were compared.The simulation conditions at different speeds were designed in the ANSYS-Fluent software.When the attack angles of the front wing,main wing,and flaps are optimized to be 6and 45respectively,and the attack angles of the ta
7、il wing,main wing,flaps,and small flaps are 15,25,and 60 respectively,the aerodynamic performance of the entire vehicle in the external flow field with and without empty sleeves is compared.The simulation results and real vehicle experiments show that the car has good aerodynamic performance.At 20 m
8、/s,the downforce of the car reaches 478.402 N and the lift drag ratio reaches 2.65.The racing car can obtain higher speed and better handling stability.Key words:FSAC racing car;aerodynamics;vehicle flow field;drag ratio 在低速行驶过程中,空气对赛车的动力学性能影响不大,但是气动阻力随着车速的提高呈二次方222 辽宁工业大学学报(自然科学版)第 43 卷 增加。这就要求在设计初
9、期要充分考虑空气动力学对赛车高速时动力性和操纵稳定性的影响,国内外在空套设计方面已经展开相应研究。德国柏林工业大学 STEINFURTH 等1通过主动控制多片尾翼的流量提高方程式赛车的气动性能。吉林大学张英朝等2探究了在侧风下影响下不同横摆角速度对赛车气动性能的影响,提出赛车的阻力系数和侧向力系数的变化规律。吉林大学王达等3设计了一种气吹式的主动气动平衡装置,实现赛车的机械特性与空气动力学设计的合理匹配,有效提高了整车的操纵稳定性。北京航空航天大学王远南等4设计一种可变尾翼系统并进行仿真,降低了整车的空气阻力,缩小了舵机旋转时间。武汉理工大学王世权等5对大学生方程式赛车空气动力学套件设计仿真,
10、提高赛车负升力。重庆大学周涛6利用翼形分析软件Profili 与 Xfoil,对前翼、尾翼、扩散器等进行设计提升赛车整车负升力系数至 1.68,负升阻比提升至1.91。长安大学杨炜等7通过调整扩散器在整车中的位置,有效提高了整车的下压力。扬州大学的单金良8实现赛车车身造型的多目标优化,并进行了 CFD 仿真和风洞实验验证,最终表明两者具有良好的一致性,降低了阻力系数,升力系数绝对值下降了 23.49%。上述设计主要针对油车和电车,无人驾驶方程式赛车因车头前端布置激光雷达,前翼设计要考虑干扰问题,同时由于侧箱内部装有工控机、电池、ECU 和硬件板等电控元件的布置也使得无人驾驶方程式赛车空气动力学
11、套件的设计与油车和电车相比具有其特殊性。本文以车队所研发的无人驾驶赛车为对象,对无人驾驶赛车的空气动力学套件前翼、尾翼(DRS)进行设计。并通过仿真和实车实验对所设计的空气套件进行验证。1 车身造型设计 车身造型灵感来源于海豚,提取其优美的曲线和灵活的姿态加以想象和创作,在丰富的想象和现实的制约中找到平衡点,进行草绘建模等前期工作,选取造型优雅犀利,颜色延续车队经典的蓝白黑,恰如海豚与大海的结合,其在能源环境方面的含义更加符合大学生方程式的举办背景。1.1 整车参数 无人驾驶赛车的整车参数表如表 1 所示。表 1 整车参数表 总长/mm 总宽/mm 总高/mm 轴距/mm 前轮距/mm 后轮距
12、/mm 前部 后部 2975 1445 1200 1570 1200 1180 45%55%1.2 网格划分与无关性验证 对几何模型进行仿真计算区域划分,计算区域距车头 3 个车长,距离车尾 7 个车长,总高度为 5个车高,总宽度为5个车宽。网格细化区长度为5 m,宽度为 3 m,高度为 3 m。根据模型初步确定一个网格数量,在 ANSYS Workbench 中进行网格划分,在网格尺寸为 150 mm时,网格数量为 958 万。在保持其他的条件不变的情况下,网格尺寸分别以 800、400、200、150、100 mm,进行网格划分和 Cl、Cd 值及其各自误差进行监测,结果如表 2 所示。表
13、 2 网格无关性参数标定 网格数量/万 网格尺寸/mm Cl 值 Cl 误差 Cd 值 Cd 误差 320 800 0.0939-0.2374-534 400 0.0936 3.0%-0.2180 8.0%645 200 0.0935 1.0%-0.2040 6.0%958 150 0.0929 0.6%-0.2030 0.6%1230 100 0.0925 0.4%-0.2010 0.1%观察数值解的变化趋势,在网格数量为 958 万、网格尺寸为 150 mm 时,相邻两次的解的误差小于 1%,认为对结果的影响在可接受的范围内,验证完成,虽然网格尺寸在 100 mm 时,误差会更小,但计算时
14、间会增加。综合考虑计算资源、计算时间、网格精度等问题,最终选用网格尺寸为 150 mm 进行仿真模拟。1.3 边界条件 控制方程选用“标准”的 k-epsilon 模型。速度入口设置 20 m/s,湍流强度为 1 和长度尺度为 1 m,压力出口设置为无穷远出的压力出口为 0 Pa,地板设置为移动地板速度 20 m/s,方向与来流方向一致,风洞侧壁设置为自由滑移路面。大气压设置为 1 个标准大气压 1.013 25105 Pa,空气密度设置为 1.225 kg/m。1.4 无空套的整车仿真分析 无空套时的仿真整车外流场如图 1 所示。(a)无空套外流场仰视图 (b)无空套外流场右视图 (c)无空
15、套外流场主视图 图 1 无空套的整车外流场流线图 第 4 期 田甜等:FSAC 赛车车身空套设计和仿真分析 223 当没有空气动力套件时,气流直接作用于整车车身前部、车身周围、轮胎和车身尾部。由于空气是粘性流体,在车身表面形成边界层,遇到突起物和锐边时会增加阻尼从而增加阻力,影响汽车的燃油经济性。另一方面赛车在行驶过程中可能受到地面效应的影响,产生较大的升力,影响汽车的操纵稳定性。整车仿真气动性能参数如表 3 所示,用于前期的设计分析和对比。表 3 整车的气动性能参数 速度/(ms-1)升力/N 阻力/N 升力系数 阻力系数 升阻比 10 11.301-26.145 0.021-0.051-0
16、.411 15 45.860-98.490 0.091-0.205-0.444 20 48.391-100.127 0.102-0.205-0.480 25 75.420-151.805 0.152-0.314-0.484 1.5 风压中心设计 当气动合力一定时,风压中心距质心的距离越近,俯仰力矩越小。当风压中心位于质心的后方时,车辆行驶状态下后轮实际垂向载荷大于前轮,在承受相同的侧偏力时,后轮的附着条件优于前轮,车辆呈现出不足转向特性。当风压中心位于质心前方时,前轮实际轴荷大于后轮,随着侧偏力的增加,后轮先突破附着极限,车辆呈现出过度转向特性。因此在空套设计中,设计质心与风压中心重合,依据车
17、辆质心来分配空套各部件下压力,综合考虑赛车负升力及操控稳定性的需求,以及空套的辅助导流能力,初期设计目标为在25 m/s的速度下,整车负升力大于 700 N。1.6 前翼、尾翼升力初步计算 风压中心力矩平衡图如图 2 所示。图 2 风压中心力矩平衡图 文中的方程式赛车其前后轴荷分配为 4555,轴距为 1570 mm。根据规则对定风翼安装位置的规定和定风翼的压力分布特性,假设前后翼的气动负升力等效纵向水平作用位置分别位于前轮中心线平面前端 550 mm 和后轮中心线平面后方 100 mm。气动力中性平衡时,L 点与质心重合。质心距前轮中心线水平纵向距离和质心距后轮中心线水平纵向距离如式(1)、
18、(2)所示。1570 55 100863.5mm(1)157045 100706.5mm(2)前后负升力装置等效作用点与质心的水平纵向距离 x1、x2如式(3)、(4)所示。1863.55501413.5mmx (3)2706.5100806.5mmx (4)作用于前轮的负升力和阻力分别为 FFl、FFd,作用于后轮的负升力和阻力分别为 FRl、FRd,风压中心到前轮质心的纵向距离为 S1,风压中心到后轮质心的距离为 S2,风压中心到前后车轮质心连线的距离为 S3。按照尾翼流场整合中得到的结论,假设现阶段尾翼在25 m/s的流速下最大约能产生400 N的负升力,则尾翼对质心的俯仰力矩如式(5)
19、所示。4000.706282.4 N m(5)而车身、扩散器和车轮对质心取距的代数和很小(尽管扩散器产生一定的负升力,但是由于其等效作用点和质心的纵向水平距离很小,因此在俯仰力矩的影响上并不大),在此将其忽略,则近似得到前翼的负升力如式(6)所示。282.4 0.864326.8(6)车轮在前翼的影响下合计约产生 20 N 的升力,则整车的负升力如式(7)所示。326.840020706.8(7)理论计算满足设计目标,即在25 m/s的速度下,整车负升力为 706.8 N。2 前翼设计 前期流场分块确定了前翼采取主翼、襟翼两片式结构,以获得较大下压力同时保证整车的气动平衡。为保证无人驾驶赛车雷
20、达避免外界干扰,主翼采取中间下凹式设计,襟翼设计为在前轮前方和悬架前方的一片翼形式,以保证总体攻角最大情况下,最大程度上减小轮胎和悬架风阻;端板设计了曲面翼刀,竖直方向改为曲面以减小阻力,宽度为5%主翼弦长,防止外翼失速,如图 3 所示。图 3 前翼三维概念图 2.1 主翼选择与设计 根据大赛规则要求确定前翼横向总的宽度,车轮外侧总宽度为 1 425 mm,考虑到加工误差和留余量,最终确定前翼总宽度为 1 366 mm,其中包括端板宽度和翼片宽度,确定宽度之后确定翼型。主翼224 辽宁工业大学学报(自然科学版)第 43 卷 选择:对 NACA6412、CH10、s1223、Wortmann F
21、X 74-CL5-140 Modified 与 S1210 12%,5 个翼型运用profili 软件攻角从 3到 13并且 Re 值为 400 000的情况下进行分析,最终得到如下 Cl、Cd 曲线,如图 4 所示。图 4 前翼翼型 Cl、Cd 图 Cl/Cd 数据曲线如图 5 所示。图 5 前翼翼型 Cl/Cd、Cm 图 在这个区间内综合考虑 Cl、Cd、Cl/Cd 值及加工工艺,选取 CH10 为主翼翼型。然后确定弦长,这时考虑到的是翼片布局之后纵向长度不应过长,否则前翼容易蹭地,而且力臂越大前翼对质心产生的力矩越大。结合经验,前翼主翼弦长暂定 350 mm。在一定攻角区间内,翼片攻角越
22、大,下压力越大,气流在翼片尾缘处发生失速的概率越大,此时下压力增加并不明显但是阻力急剧上升。经过分析,确定主翼攻角为 6,中间下凹部分攻角越小越好,0攻角时翼片升阻比最佳。攻角在 0到 8时气动参数对比如表 4 所示。表 4 前翼主翼攻角对比分析 攻角 升力/N 升力系数 阻力/N 阻力系数 升阻比 0-131.551-0.567 10.201 0.044 12.900 2-145.482-0.676 11.622 0.054 12.521 4-150.042-0.614 12.945 0.053 11.592 6-160.020-0.744 14.253 0.062 12.001 8-155
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