FSAE方程式赛车碳纤维车身与后尾翼设计与空气动力学分析-开题报告

开题报告题目：FSAE方程式赛车碳纤维车身与后尾翼设 计与空气动力学分析学 院： 专 业： 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导老师： 提交日期： 10目录一、选题背景和意义3二、 国内外发展趋势、研究现状3三、 基本内容和拟解决的主要问题8四、 研究或设计方法9五、 设计或研究的可能的创新之处9六、 工作展开的步骤与进度计划9七、 参考文献10FSAE方程式赛车碳纤维车身与后尾翼设计与空气动力学分析1 选题背景及意义FSAE是一项面向全世界大学生集赛车设计制造竞赛为一体的综合性工程教育赛事。它由国际汽车工程师协会于1978年创办，有着30多年历史的一项赛事。参赛队伍必须在一年时间内通过自行设计并制造出一辆具有出色加速、制动、操控性能的小型开仓式单座方程式赛车。中国在2010年开始引入这项赛事，中国汽车工程学会联合21所高校在上海举办了首届中国大学生方程式汽车大赛。截止2014年，共有61支燃油组赛车，19支电车组赛车参加了2014年第5届中国大学生方程式汽车大赛。而截止2014年底，已有79支燃油组赛车，31支电车组赛车报名2015年第6届中国大学生方程式汽车大赛,而我校也将参加2015年电车组比赛。中国大学生方程式汽车大赛已然成为国内最有影响力的大学生赛车比赛，被誉为“学术界的Formula 1”。FSAE赛车与一般汽车不同，赛车的重量对赛车最后能否取得好成绩有着至关重要的作用。而对于赛车轻量化来说，两种主要方法之一便是使用轻型材料。因此，碳纤维这种增强型纤维材料便脱颖而出了。碳纤维相比其他材料以及增强型纤维材料，都具有较大优势。因此，研究碳纤维材料在车身上的应用对于赛车甚至商用车的轻量化都具有较大意义。FSAE赛车在比赛中的直线赛道上的最高速度可达到120，在弯道的速度的也可达到50。在如此高的速度下减小赛车空气阻力对于赛车取得好成绩，减少能量消耗具有十分重要的意义。而若要减小赛车的空气阻力，就需要对赛车进行计算流体力学（CFD）的方法，优化赛车的车身造型。而在赛车过弯时，为了增加赛车过弯的稳定性，在充分轻量化的同时满足对地面的足够压力，则需要对赛车设计安装鼻翼、尾翼和扩散器。为了赛车拥有较小的气动阻力以及高速行驶时足够的下压力，需要利用计算机技术和涡流理论，通过计算流体力学的方法对赛车进行空气动力学分析。利用ANSYS的FLUENT模块模拟汽车行驶中的外流场，与传统的风洞实验相比，CFD分析可以节约大量的资金，提高研究效率。由此可见，对赛车的车身进行空气动力学造型，并对其进行CFD分析，对于赛车的气动阻力，下压力具有十分重要的意义。有利于提高赛车高速行驶的稳定性，减小所受的空气阻力，提高赛车的性能。2 国内外研究现状和发展趋势2.1国外研究现状据了解，国外的赛车经过铝合金的非承载式车身，铝合金的承载式车身，玻璃纤维的非承载式车身，碳纤维的非承载式车身的发展，已基本发展为碳纤维材料的承载式车身，并在不断完善之中。而对于空气动力学，早在20世纪初，人们就试图通过改善乘用车的造型来减小的乘用车的气动阻力。通过车身造型设计并结合空气动力学原理，将车身表面设计得更加符合空气动力学原理，能够改变或引导气流运动。使迎风气流能够较容易通过车身表面从而达到减小风阻系数的目的。而国外赛车运动起步较早，到目前为止已经完成了较为成熟的空气动力学研究。其中最具代表性的是Formula 1赛车运动。为了能够在比赛中获得优异成绩，各支车队都在空气动力学研究中花费了大量的人力物力，充分利用计算流体力学的方法和风洞试验实测的方法提高赛车各方面的性能。就拿Formula 1的小车队卡特汉姆车队来说，就有约40人专门从事空气动力学研究，而这一数字对于类似于法拉利车队等大车队来说要数倍于卡特汉姆车队。有统计数字表明，在德国大约有3000余人专门从事关于Formula 1的空气动力学研究，美国约有11000多人，而在日本这一数字则达到了20000。图1.F1赛车车身发展轨迹如图1中所示，早起的赛车并没有过多的注意空气动力学，工程师们普遍认为发动机、底盘、轮胎和驾驶员是影响赛车性能的4个基本要素。随着技术的发展，在发动机、底盘、轮胎和驾驶员这4个基本要素上的突破都遇到了瓶颈，这时候工程师们逐渐把注意力放到如何利用空气动力这一课题上来，空气动力学逐渐开始发展了起来。20世纪60年代，国际汽联开始限制Formula 1赛车的发动机功率和轮胎大小，这也是空气动力学兴起的另一个重要原因。20世纪70年代，Formula 1赛车逐渐开始安装前后负升力翼和侧裙等空气动力学套件，虽然当时的空气动力学才刚刚起步，并没有充分起到作用，但还有引起了巨大的反响，能够合理运用空气动力学的赛车最终可以取得优异成绩。随着国际汽联对规则的完善，空气动力学套件变得更加规范。到目前为止，空气动力学套件的发展已比较成熟，如对前尾翼的安装，翼板的角度面积大小都愈来愈趋于合理，能够充分利用空气提供负压力。图2.Formula 1赛车气动特性演化图如图2所示，各阶段的Formula 1赛车都在车体局部位置形成了升力，而2003年威廉姆斯车队开发的新车则几乎在车身的每一个部位都产生了负压力，这也是目前所有车队的共同特点，如图2.d。而计算流体力学（CFD）则对Formula 1赛车的空气动力学发展起了非常关键的作用。与传统的风洞实验相比，CFD虽比不上风洞的精确，但是由于其费用少，周期短等优点，加之对流体的运动有着更为细致的过程，CFD在空气动力学计算中有着非常广泛的应用。在国外欧美一些发达国家，自二十世纪七十年代以来，CFD技术取得了飞速的发展。通过航空航天工业推动着CFD技术快速发展。四十年来，CFD在湍流模型，网格技术，数值算法等领域取得飞速发展，给汽车工业带来了革命性的变化。CFD和CAE软件一起，使新车研发时所需的上百辆原型车减少到目前的十几辆原型车。在国外，在航天航空以及汽车领域，利用CFD技术进行反复设计、优化、分析已经成为标准化的过程。FSAE赛车可以说是迷你版的Formula 1赛车，但由于FSAE赛车的速度比Formula 1赛车的速度慢，因此需要通过增大空气动力套件的方法来获得较大的负升力。国外的一些FSAE传统强队如斯图加特大学、KIT等车队的空气动力学也已较为成熟，已经达到非常高的水平，对赛车的驱动特性、稳定特性、操作特性也已较好地把握,如图3，图4所示。图3.KIT车队空气动力学套件图4.斯图加特大学车队赛车2.2国内研究现状而国内赛车的车身覆盖件的发展时间短，经历了铝合金材料的非承载式车身，玻璃纤维材料的非承载式车身，碳纤维材料的非承载式车身的发展，并开始有少数几所高校开始发展碳纤维材料的承载式车身。目前在国内FSAE赛场上，普遍以碳纤维材料的非承载式车身为主，并有一些高校打算开发碳纤维单体壳车身的趋势。未来国内的赛车将出现碳纤维材料的非承载式车身和单体壳式的承载式车身并存的情况。在国内，虽然空气动力学在航空航天领域已取得重大突破，但在汽车领域还比较落后，而针对Formula 1的空气动力学研究几乎没有。但国内已经逐步开始对空气动力学的研究，如上海大众333赛车俱乐部旗下的上海大众333车队和斯柯达红牛拉力车队已经分别征战CTCC中国房车锦标赛和CRC中国拉力锦标赛，已经开始对赛车进行空气动力学分析，并研发了一整套空气动力学套件，从而对赛车的性能成绩有着很大的提高。但与国外相比，无论是从经验还是技术层面来说，都有着较大的差距，尚还在起步阶段。 图5.大众333车队赛车 而CFD技术在我国起步也比较晚，但在各领域依然有着非常广泛的应用。如在航天航空、载人航天工程、新一代火箭的研发方面都非常依赖CFD技术，如我国第一架喷气涡扇式支线飞机的研制就是依靠CFD技术在我国应用；在船舶方面，要实现上海在2015年总造船能力120余万吨的目标，也必须要借助CFD技术才能完成。随着中国汽车制造业的逐步壮大，自主研发能力的进一步增强，势必要寻求外部高性能计算，因此CFD的应用会越来越重要。目前，采用成熟的商业CFD软件来进行理论分析工作已成为众多企业标准化的一个环节。以我国的上海为例，已经在电子工业，机械工业，市政建设工程，化工，建筑，汽车，海洋，体育等行业都相继引入CFD作为理论分析手段，并取得了令人瞩目的成就。如在电子工业中通过CFD进行散热分析，在市政工程中通过CFD进行通风、火灾等预警，在机械工业中通过CFD进行汽轮机、水轮机等旋转机械的分析以及锅炉等燃烧器燃烧流动分析，在环保中通过CFD进行水洗污染模拟等等。从软件工程的角度来看，核心计算的部分与国外先进水平的差距并不大，但在前处理即几何造型和网格生成技术，后处理即科学计算可视化部分与国外水平差距较大。开展CFD技术的研究仍有大量的工作要做，具体表现为：1） 继续加强算法历年方面的研究；2） 研究网格自动生成技术；3） 研究科学计算可视化技术；4） 运用CFD技术开展本行业中的基础研究。再来看看国内的FSAE赛车现状。随着中国的高校对FSAE比赛的关注度提高和不断深入，各支车队的水平也在不断的提高。越来越多的车队开始自主设计制作空气动力学套件，并在比赛中取得良好成绩。湖南大学易车队、上海交通大学FSAE车队、同济大学翼驰车队是中国大陆最早参与到FSAE比赛中的三支车队。上海交通大学FSAE赛车队是中国第一支参加FSAE赛事的车队，其在2006年制造了第一台赛车并赴美国参赛。湖南大学在2007年制作了第一台赛车并赴美国加利福尼亚参加FSAE西部赛事，当年取得“最佳新秀奖”，次年在FSAE西部赛中取得“布鲁开佳儿静音奖”。同济大学于2008年开始制作第一辆赛车，于2009年开始每年前往日本参加日本赛。截止2014年底，已有79支燃油组赛车，31支电车组赛车报名2015年第6届中国大学生方程式汽车大赛，FSAE在中国的关注度已越来越高。而各支车队的空气动力学研究也在逐步发展中，并取得一些突破。如同济大学翼驰车队2014赛季赛车可在90的速度下，下压力达到2100N，阻力减小为742.2N，升阻比为2.83。已达到国内领先水平。3 基本内容和拟解决的问题3.1基本内容（1） 根据FSAE赛车设计要求，完成碳纤维车身和后尾翼的设计。（2） 使用FLUENT软件对对车身和后尾翼进行空气动力学分析。（3） 根据流场分析结果优化车身和后尾翼的设计。3.2拟解决的问题（1） 优化FSAE赛车车身和后尾翼的空气动力学特性通过CFD软件对设计好的赛车车身和尾翼进行空气动力学分析，通过对流动控制方程的求解，对赛车流场特性及赛车气动性能进行研究，通过计算赛车周围的气流，将结果可视化。（2） 碳纤维车身的快速装拆使用铰接、黏接、螺栓紧固等方法实现碳纤维车身的快速装拆，以满足比赛检测要求，并进行可行性论证。（3） 后尾翼的流场稳定性通过尾翼快速抚平紊流，使赛车后部的空气趋于层流，使低气压升高，从而减小空气阻力。4 研究或设计方法本课题将对FSAE赛车的车身和后尾翼进行空气动力学分析，通过优化车身和后尾翼的结构，对气流流动施加弱扰动，使已经分离的气流流动附着，从而控制尾流，有效的减小气动升力和空气阻力，改善赛车的空气动力学特性。目前行业中使用的研究方法主要有实验法和数值计算法。实验法主要包括风洞实验法和实车道路实验法。数值计算法主要包括理论流体力学的方法和计算流体力学的方法。本课题主要通过计算流体力学的方法来对FSAE赛车进行空气动力学分析，通过对以往FSAE 比赛经验的总结和国内外各类方程式赛车设计资料的整理和分析，找到最优化的结果。5 设计或研究的可能的创新之处 虽然至今FSAE赛事已经发展了30余年，国外一些高校参赛历史超过20年，但中国赛才刚刚举办5年，基础较为薄弱，国内外差距较大。本课题将通过计算流体力学的方法对FSAE赛车的车身和尾翼进行空气动力学分析，通过CFD成本低、速度快、具有模拟真实条件等优点、以及具有模拟理想条件的能力这些特点来完成研究。6 工作展开的步骤与进度计划 2014年12月到2015年6月时间内容2014.12-2015.1查阅文献资料，完成文献翻译、开题报告、文献综述2015.1-2015.2学习流体力学，及运用CFD进行空气动力学分析的方法2015.3-2015.4完成对赛车车身和尾翼的空气动力学分析2015.4-2015.5制作碳纤维车身2015.5-2015.6毕业设计主题论文撰写及修改，准备答辩7 参考文献1 曾飞云.万得FSC赛车空气动力学特性研究，辽宁工业大学，20142 潘小卫.赛车CFD仿真及风洞试验研究，湖南大学，20093 郭军朝.理想车身气动造型研究与F1赛车气动特性初探，湖南大学，20074 Sneh Hetawal，Mandar Gophane，Ajay B.K.，Yagnavalkya Mukkamala.Aerodynamic Study of Formula SAE Car.Procedia Engineering 97 ( 2014 ) 1198 12075 焦雅丽.大学生方程式赛车外流场模拟分析及结构优化，昆明理工大学，20136 马勇，郑伟涛，韩久瑞.计算流体力学在F1赛车运动中的应用，武汉体育学院学报，Vol.39 No.3，20057 毛旭，吴宁宁.FSAE赛车新型定风翼型气动性能的提升，机械科学与技术，Vol.33 No.9,20148 何忆斌，李伟平，刘孟祥，雷吉平，杨震宇.F1方程式赛车后升力翼的气动特性，航空动力学报，Vol.28 No.10,20139 邓召文，王兵.FSC赛车空气套件CFD优化设计，汽车实用技术，NO.3，201410 余顺达，李能，王兵，高阳.基于CFD