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-设计说明书

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： 摘要轻量化设计与空气动力学分析是赛车车身设计的两个重要内容。碳纤维材料具有比强度高和比模量高的优点，是设计赛车车身的首选材料。本课题采用碳纤维设计赛车车身外覆盖件，通过CATIA软件进行三维建模，为了方便评审专家组现场检查赛车内部结构，本课题实现了车身外覆盖件的快速装卸。赛车的空气动力学特性体现了赛车的设计水平和性能，其中最关键的两个数据便是赛车的气动阻力系数以及赛车的负升力系数，本课题依据FSC规则，应用ANSYS ICEM建立仿真模型，再应用ANSYS FLUENT进行计算和后处理，后处理的结果将以气动阻力和负升力的曲线，以及赛车周围的云图来显示，并分析比较了添加后尾翼前后的升力值变化，为碳纤维车身覆盖件的优化提供修改方向。关键词：FSAE赛车 碳纤维车身 空气动力学 外流场分析IVAbstractThe two important contents of the racing car body design are lightweight analysis and aerodynamic analysis. The carbon fiber material is best for car body materials,which has advantages in higher specific strength and higher specific modulus. The material of racing car body outer covering parts is carbon fiber material and the racing car body outer covering parts modeled by CATIA software. In order to facilitate the review panel to inspect racing cars structure, this paper has realized rapid loading and unloading of racing car body outer covering parts. The cars aerodynamic characteristic reflects the level of the cars design and performance and the most two critical data of it are drag coefficient and lift coefficient. According to the rules of FSC, this paper established simulation model by ANSYS ICEM and calculate and post-processing it by ANSYS FLUENT. The results of post-processing will provided by the curves of aerodynamic resistance and negative lift. In order to optimize the shape of the racing car body covering parts, this paper will compare the negative lift of racing car adding rear spoiler or not. 目录摘要IIAbstractIII目录IV第一章 绪论11.1背景研究及意义11.2国外研究现状21.3国内研究现状61.4论文主要研究内容8第二章 FSAE赛车车身与后尾翼设计92.1赛车轻量化方法92.2碳纤维复合材料特性92.3赛车车身设计112.4赛车后尾翼的设计142.5碳纤维车身和尾翼的制作152.6本章小结19第三章 FSAE赛车外流场仿真建模203.1 CFD分析的原理203.2建立FSAE赛车模型213.3计算域的建立223.4划分网格223.5设定边界条件253.6本章小结26第四章 FSAE赛车外流场仿真分析274.1 FSAE赛车空气阻力结果分析274.2 FSAE赛车流场分析294.3添加尾翼赛车与原赛车比较334.4本章小结35第五章 总结与展望36参考文献38致谢40第一章 绪论1.1背景研究及意义大学生方程式汽车大赛（FSAE）是一项面向全世界大学生的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，至今已有30多年的历史。FSAE要求参赛队伍必须在一年时间内通过自行设计、制造出一辆具有出色的加速、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支燃油组赛车和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支电车组赛车报名参加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，赛车的重量对赛车能否取得好成绩有着至关重要的作用，赛车轻量化至关重要。与其他车身材料相比，碳纤维具有强度高、弹性模量大、重量轻等特点，是设计赛车车身的首选材料。在比赛中，良好的速度是赛车最后取胜的关键，FSAE赛车在比赛中的直线赛道上的最高速度可达到120，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，这就要求赛车有较小的气动阻力，所以设计的车身就应该有良好的气动造型。其次，赛车在高速的状况下转弯会产生较大的离心力，如果这时候车轮不能提供足够的向心力，赛车很可能发生侧滑甚至侧翻，这便要求赛车车轮与地面之间能有足够的压力。众所周知，增加赛车的重量可以使地面与车轮之间的压力变大，但赛车重量变大显然不是设计者的目标。赛车重量的增大会对赛车的加速性，制动性，灵活性都造成较大的削弱。还有一种方法是使用空气动力学套件，这种方法能在赛车高速时增加较少重量的情况下提供较大的下压力，从而增加赛车的稳定性。但空气给赛车提供下压力的同时也会对赛车形成气动阻力，提供的下压力越大，形成的气动阻力也越大，因此，设计者需要在这两者之间寻找一个平衡点，既能使赛车达到较高的速度，也能在过弯时有较好的稳定性。通常，空气动力学工程师会根据赛道不同调整风翼翼角的大小达到最佳平衡点。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软件的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，提高赛车的性能。1.2国外研究现状目前碳纤维材料的应用仍处于起步阶段，但已有多家碳纤维厂商和汽车公司展开合作，如东丽公司和戴姆勒公司，西格里集团和宝马公司等。宝马公司2013年上市的宝马i3的车身材料采用的便是碳纤维复合材料。碳纤维复合材料通过树脂传递模塑工艺，将7-11层碳纤维材料叠在一起，再根据需要切割，最后才能变成能够安装到宝马i3的零部件。这种新型材料能够使抗撕裂强度提高50%100%，抗冲击强度提高50%100%，界面剪切强度提高15%。碳纤维进一步使汽车减重40%，则可以减少能量消耗40%左右。根据预测，碳纤维复合材料在汽车工业的应用将迅速增加，未来几年的年均增长率将达到31.5%。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，将车身曲面设计得更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。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1.1 Formula 1赛车车身发展轨迹如图1.1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1.2 Formula 1赛车气动特性演化图如图1.2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1.2.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。CFD是随着计算机技术的发展而兴起的一门新学科。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，20世纪70年代以来，CFD技术已得到飞速发展。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1.3，图1.4所示。图1.3.KIT车队空气动力学套件图1.4.斯图加特大学车队赛车1.3国内研究现状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1.5 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，我国第一架喷气涡扇式支线飞机的研制就是CFD在我国应用的典范；在船舶方面，要实现上海在2015年总造船能力120万吨的目标，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。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。1.4论文主要研究内容本文将主要从以下几个方面展开工作：（1） 阐述FSAE赛车碳纤维车身的背景及研究意义，调查目前国内外研究现状，分析碳纤维车身和空气动力学套件未来的发展方向。（2） 采用三维软件CATIA设计碳纤维车身外覆盖件，为了便于现场检查赛车内部结构，实现车身覆盖件的快速拆卸，绘制总装配图和零件图。（3） 通过ICEM进行模拟前处理，通过FLUENT软件对赛车模型进行仿真分析，并进行后处理得出赛车各个部分的气动阻力系数，负升力系数，对比采用后尾翼前后的气动阻力和升力变化。40第二章 FSAE赛车车身与后尾翼设计2.1赛车轻量化方法在赛车比赛中，赛车的动力性能是至关重要的。赛车的动力性能体现在赛车上就是最高速度和加速性能。由于组委会出于安全性的考虑，对赛车的最高速度进行了限制，并且在比赛赛道上设定了绕桩区，使得最高速度始终不是很高，因此赛车的加速性能就显得十分重要。除了增加赛车的动力以外，赛车的轻量化也就显得尤为重要。将赛车进行轻量化，除了降低赛车的行驶阻力提高动力性能外，还能提高能源使用效率。目前，汽车轻量化主要有三个方向：一是使用轻质材料，如铝合金，镁合金，增强型纤维复合材料等，相比原来的普通钢板，在保证原有强度的情况下，整车质量可以大大降低。二是进行结构优化，通过计算机对原有结构进行有限元计算、拓扑结构优化等，在满足强度要求的情况下可以减去材料的一部分重量。三是采用新的工艺，如铝合金在汽车上的应用阻力来自铝合金成形技术以及铝合金的连接技术，若采用真空压铸或半固态压铸等新型工艺则可以有效解决这个问题。本文主要是通过应用碳纤维复合材料来达到轻量化的目的。2.2碳纤维复合材料特性碳纤维复合材料是一种含碳量高达90%以上，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化处理而制成的增强型纤维材料。但与一般的碳素材料不同，碳纤维布有明显的各向异性，单根碳纤维柔软，可编制成各种织物。碳纤维是一种重量比铝轻、强度比钢大、比头发丝还细的纤维。相同体积下，碳纤维的重量仅是铁的四分之一，甚至比铝合金还轻，强度却是钢的四倍多。在地震多发的日本，碳纤维甚至被用在桥梁和建筑里，以增加其强度。碳纤维最突出的优点体现在它远远超出其他工程材料的比强度和比刚度。由表1可见，碳纤维的比强度和比模量要远高出高强钢和高强铝合金。“比强度”和“比模量”，它们是指材料单位质量的强度和模量。显然，如果一种材料的密度小而又能够提供相当高的强度和模量，这种材料便具有高比强度和高比模量，碳纤维正是在这点上体现出了巨大的优势。表2.1 碳纤维与其他材料性能的比较材料密度（）抗拉强度（）拉伸模量（E）比强度（/）比模量（E/）高模碳纤维1.7400024024140高强钢7.834021002080.040.2727高强铝合金2.7144650690.050.2326E-玻璃纤维2.543100380072.575.512.61528.529.5芳纶491.4428001261.9488硼纤维2.3627503821.17162碳纤维的研究开发开始于对20世纪50年代开发的玻璃纤维复合材料的认识和经验。通常的玻璃纤维复合材料，重量要高出碳纤维复合材料1/3以上，而拉伸强度仅是碳纤维复合材料的2/3，模量则更低，不到1/3，满足不了当时工业发展的要求。因此势必要研发出新的高性能纤维复合材料作为玻璃纤维材料的替代品，满足日益增长的需求量。在这种背景下，20世纪60年代后期，创新型的聚丙烯晴基碳纤维研发成功并能够批量生产。碳纤维复合材料生产技术难度大，价格高，但由于碳纤维复合材料优秀的综合性能，特别是超高的比强度和比模量，满足了高技术发展的要求，因而迅速的进入航天航空、体育用品和汽车行业。目前，无论国内外赛场，FSAE赛车车身已普遍采用碳纤维复合材料制作。碳纤维的比强度和比模量都要远超高强钢和高强铝合金，在工业领域具有巨大的优势。与其他增强型纤维材料相比，碳纤维还具有耐腐蚀、抗疲劳、耐高温、膨胀系数小、尺寸稳定性高、导电等优点。2.3赛车车身设计本文按照碳纤维材料的特性，兼顾空气动力学特性，利用CATIA软件对赛车车身进行了建模。设计车身的原则是根据赛车车架确定的，车身覆盖件必须要包裹住车架，并且由于车身覆盖件与车架定位要求，两者间距离不能过大。考虑到制造以及安装装配等因素，本文将车身覆盖件分为7个部分，如图2.3.1所示，分别为：前鼻锥、前舱前部、悬架侧板、前舱后部、侧翼板、主环后板和侧箱。图2.1 赛车车身覆盖件设计图考虑到前鼻锥是最先受到气流冲击的部分，为减小其所受的气动阻力，将其设计为尖形，使其外形更加符合空气动力学原理。而车身的快拆将主要运用于前舱前部这一部分，这一部分的覆盖件将可以在赛车静态比赛中快速拆下。而悬架侧板上有4个开孔，用来通过悬架杆，并和悬架一起固定在车架上。侧箱的主要功能是放置散热器，因此侧箱的设计依据也按照散热器的大小进行设计。除了考虑上述这些因素以外，在设计车身时还应考虑美学的因素。图2.2 车身三维图赛车车身在造型上仿生鲨鱼的流线型，在视觉上具有静则蓄势待发，动则迅电惊雷的美感。从车头到尾部一气呵成，整车协调美观，曲线流畅自然。车身覆盖件使用碳纤维复合材料通过真空辅助树脂传递成型工艺。通过对不同碳布及夹心材料组合制造试验，确定了在符合其强度要求下的组合方式，实现了车身的轻量化。整个车身色彩大部采用碳纤维复合材料原有的黑色斜纹纹路，减少油漆喷涂，既表现出赛车的速度感与轻灵之美，又有利于减轻车身质量，提高赛车整体性能。图2.3 前鼻锥三维图图2.4 前舱检测块三维图图2.5 前舱后部三维图2.4赛车后尾翼的设计赛车的后尾翼是赛车空气动力学套件中的重要组成部分，其主要作用就是产生下压力，在产生下压力的同事尽量减少增加的气动阻力。赛车后尾翼产生下压力的原理与飞机机翼产生升力的原理基本相似。飞机机翼产生升力的原理如图所示，飞机机翼截面形状如图所示，当飞机以较高速度飞行时，空气将会以较高的速度流过机翼表面。当空气遇到机翼前端时，一部分的空气将会从机翼上方流过，另一部分的空气将会从机翼的下方流过，这两部分空气将会在机翼尾部重新汇合。由于机翼的上表面比机翼的下表面更长，因此流经机翼上表面的空气拥有比下表面更快的速度，这回导致机翼的上下表面产生压力差，从而产生了升力。图2.6 飞机机翼升力原理图将飞机机翼形状倒置，就成了赛车后尾翼翼型形状，当然产生的效果也就相反了，将会形成下压力。图2.7 赛车后尾翼三维图2.5碳纤维车身和尾翼的制作本文所述的赛车车身和尾翼均使用碳纤维材料制作，本节将探讨碳纤维材料制作的工艺和过程。制造过程中需要耗材、设备以及其作用如下：（1）真空泵：真空泵产生的非常高的真空压力可从真空袋中吸掉所有空气，并且在整个复合材料固化周期都保持工作状态。（2）树脂收集器及内胆：树脂收集器的位置位于复合材料和真空泵之间，防止复合材料中的多余树脂被吸到真空泵中。树脂收集器有可以装卸的内胆（可用一次性纸杯代替），以便树脂导流完成之后可以轻松地丢弃收集器内的树脂。（3）真空表：真空表显示密封模具系统中的真空水平，当真空袋有微小的泄露时，真空表的指数是非常重要的判断依据。（4）管夹：管夹是用于关闭树脂流动或者树脂从进料罐流动到真空袋工艺复合材料中的设备。导流管通常是在树脂流到碳纤维布末端之前被夹住。另一个管夹是当树脂导流完成，隔离组件之后用于夹住真空导流管，确保不会有太多的树脂从部件中被吸出。（5）硅胶连接器（注胶座）：注胶座形成了真空管和真空袋以及树脂进料罐和真空袋之间的链接。用注胶座（替代金属连接器）是因为在树脂导流过程中会被涂上树脂。当工艺完成之后，硅胶上的树脂可以很容易的被除去，可以再次使用。（6）真空管：真空管连接真空泵、树脂收集器和树脂进料罐到模具密封系统。（7）真空袋薄膜：这种膜用于形成外部空气被真空泵抽走时模具的密封系统。这种膜抗撕裂，具有与真空密封胶带的良好贴合性。（8）脱模布：这种薄薄的织物是复合材料和真空袋之间的第一层可移动层。脱模布的能够吸收多余树脂，当工艺完成之后拆掉复合材料时，提供一个特别好的网纹表面。（9）导流网：导流网是一种塑料网，目的在于在导流期间促进树脂流动。（10）螺旋管：这种螺旋管被用于提供一个自由通道，使附近的树脂可以首先浸入到碳纤维布中去。（11）密封胶带：这种特殊粘性的、类似口香糖的胶带用于在两层真空袋薄膜（当使用信封式套袋时）或者真空袋和模具法兰边（半套袋式）之间形成完美的密封状态。（12）环氧树脂：这种碳纤维复合材料车身覆盖件的制备方法需要特殊的低粘度树脂。不像标准的聚酯树脂，环氧树脂是用于该导流工艺的最佳树脂。（13）止回阀：用在真空泵和树脂收集器之间，防止关闭真空泵时，空气倒流进入密封的模具系统。（14）树脂进料罐：用于盛放混合固化剂后的环氧树脂，可以用一次性纸杯代替。各设备的安装与连接如图2.5.1所示。图2.8 制造工艺系统从左到右依次连接真空泵真空管止回阀真空管树脂收集器（收集器内用一次性纸杯作为内胆收集被吸出的多余树脂）真空管注胶座密封模具系统注胶座真空管树脂进料罐（用一次性纸杯代替）。密封模具系统从下到上依次在模具上放置脱模布碳纤维布脱模布导流网真空袋薄膜，模具与真空袋薄膜之间用密封胶带密封，螺旋管镶嵌入注胶座底部的凹槽，螺旋管与注胶座放置在真空袋薄膜与模具之间的密封系统内的两端。图2.9 密封模具系统在准备阶段，首先要用无绒布在模具表面上涂上一层薄的化学脱模剂，在等待化学脱模剂干燥之后，依次添加脱模布、碳布、脱模布、导流网，固定螺旋管和定位硅胶连接器（注胶座），并在外围粘贴一圈密封胶带，盖上真空袋薄膜，使碳布周围形成密闭的环境。再如图2.5.1所示连接各个部分，并使各个部分形成密封的状态。在制作阶段，先通过真空泵检查碳布周围的密封性，具体方法为打开真空泵并抽空真空袋，观察真空表的指针，等到指针接近100%，就说明碳布周围已接近真空状态，或者观察有无油雾从真空泵喷出，若没有，则说明内部真空度已较好。检查完毕之后，利用真空泵的抽气效果导入搅拌均匀的树脂。所使用的树脂为IN2环氧导流树脂，需要以100%树脂和30%固化剂的比例混合搅拌均匀。等树脂将碳布完全浸润，并将多余的树脂收集到树脂收集器之后，便可以关闭真空泵，等待树脂固化。等待树脂完全固化后，便可以取出制作好的碳纤维板。碳纤维布可分为1k、3k、6k、12k等型号，根据编制方式不同又可分为单向布、平纹布和斜纹布，其中型号里的“k”指的是一根碳纤维纱所含的单丝根数,如1K的碳纤维布里的一根碳纤维纱里所含有1000根单丝。一般来说，k数越高，强度越大，但成型后的质量也会相应增加。因此，在制造车身时，将使用三层碳纤维布，最外一层使用的是3k碳纤维布，以提高车身表面的光洁度，提高表面质量。中间一层使用的是6k碳纤维布，增加强度的同时不增加过多重量。曲面弯曲度大的覆盖件部分最里一层碳纤维布使用的是12k碳纤维布，以增强这些曲面的强度。2.6本章小结本章介绍了碳纤维材料特性，以及其的轻量化意义。对赛车车身进行了设计，并按照安装和制造要求进行了分块处理，同时也对后尾翼进行了设计，对后尾翼产生负升力的原理进行了简单阐述。同时描述了碳纤维复合材料的制作工艺过程。第三章 FSAE赛车外流场仿真建模3.1 CFD分析的原理当气流流过赛车车身表面时，会产生两种不同的气流：湍流和层流。相邻层流体相互之间的光滑滑动称为层流，而湍流则是混乱的、随机的。区分气流是层流还是湍流的依据是雷诺数。雷诺数以19世纪英国著名流体力学专家雷诺的名字命名，公式为，其中为流体密度，V为流场特征速度，L为流场特征长度，为运动粘性系数。当雷诺数较小时，粘滞力对流场的影响较大，流场中流速的扰动就会因此减弱，流体运动稳定，趋于层流。反之，当雷诺数较大时，惯性力对流场的影响较大，流体运动不稳定，容易形成紊乱、不规则的的湍流流场。边界层也是流体力学中一个重要概念，指的是大雷诺数流体中粘性力不可忽略紧贴物体表面的流动薄层。当某些粘性很小的流体（例如水或者空气）以一定的速度通过物体表面时，靠近物体表面的流体会受到粘性剪应力而产生一层薄薄的流动层，这层流动层紧贴在物体表面，并且与物体表面的相对速度为0，这层流动层便被称为边界层。气流可用纳维叶-斯托克斯公式表示： (3.1)式中u为速度，t为时间，x为坐标，p为压力，为密度（）。目前有几种不同的方式来计算流体运动，但使用最普遍的是如下3种： DNS：直接数值模拟。这种方法几乎可以计算所有的湍流模型，但它需要较小的网格尺寸，并且对计算机有很高的要求，计算时间也会大大增加。 RANS：湍流模型。这种方法给出了求解纳维叶-斯托克斯方程所需要的大概平均时间。由于流速场是不断波动的，所以它并不能计算所有的湍流模型。 LES：大涡模型。这种方法主要用于解决大尺度湍流运动，但模拟需要较长时间。DNS和LES方法虽然在理论部分已经较为成熟，并且适用范围也较为广泛，但是由于各方面条件的限制，尤其是计算条件的限制，这两种方法在工程中的应用还尚未成熟，因此目前在工程中普遍采用的是湍流模型，并且有几种不同的湍流模型来对应不同的流场分析，本文采用的是标准-模型。3.2建立FSAE赛车模型本文使用的FSAE模型通过三维制图软件CATIA建立，与实车比例为1:1，如图3.2.1。为了提高赛车模型划分网格时的网格质量，于是对赛车模型进行一些简化：（1） 将原有赛车模型中的空腔进行封闭处理，防止网格划分时出现网格溢出或者没有进行网格划分的情况，提高后期计算精度。（2） 对赛车悬架、主环、前环等对空气流场干扰较小的的杆件进行去除处理。（3） 用圆柱体来代替轮胎进行简化，将轮胎花纹、轮毂等一系列可能影响网格质量的部分进行简化处理。图3.1 FSAE赛车仿真模型3.3计算域的建立为了对FSAE赛车模型模拟风洞试验，需要在赛车模型周围建立一个计算域，如图3.3.1。计算域的大小主要根据赛车模型的大小来确定。为了使得仿真结果更真实更有说服力，计算域的建立可以模仿风洞实验室的形状。计算域的建立应遵循以下原则：赛车周围的外流场以及赛车引起的外流场变化都应该在计算域之内。例如，气流在通过赛车车身时会在赛车尾部形成一个湍流区，湍流区域可能比较大，因此，在建立计算域时应充分考虑此情况，即在车尾到出口这段区域必须把湍流区完全包围在内。如果没有把湍流区完全包围在内，则在计算上会出现较大误差，计算结果也是不可靠的。图3.2 赛车模型与计算域通常来说，计算域的进口距离赛车前段23倍车长，计算域的出口距离赛车后端56倍车长，计算域的宽度为46倍车宽，计算域的高度为5倍车高。本文所建立的计算域长度为10倍车长，宽度为5倍车宽，高度为5倍车高。赛车模型前端在计算域中距离计算域的进口为3倍车长，赛车尾部距离计算域出口为6倍车长，赛车左右端距离侧墙都为2倍车宽，赛车顶部距离计算域顶部为4倍车高。3.4划分网格建立完计算域后，应对各部分实体进行定义，包括入口、出口、墙壁、地面、车身、轮胎和空气动力学套件等。之后可对赛车设置边界层，以提高仿真精确度。完成上述步骤之后，便可对计算域及模型进行网格划分，将它划分成更小的网格为后期计算和分析提供基础。通常来说，网格划分的越小，计算出来的结果真实度越高，但计算所需的时间也会大大增加，这并不是一种高效的方式，因此，网格并不是划得越小越好。图3.3 划分好网格的计算域和赛车图3.4 车体表面网格图3.5 地面网格划分目前在流场仿真分析中所用的网格主要分为两种：结构网格和非结构网格。结构网格相比非结构网格，其优点在于结构简单、占内存小、计算方便等，但也有难以适应复杂的几何图形的缺点。例如对于赛车车身这样的复杂几何图形，结构网格就难以发挥其作用，难以满足贴合性的要求。非结构网格则正好相反，由于其没有网格节点的结构性限制，因此可以在很大程度上改变网格大小，形状等要素，灵活性好。但也因如此，非结构网格的规律性较差，因此在计算时对计算机的内存要求比较高，计算时间也会随之增加。本文使用的前处理模块ICEM产生的网格便是非结构网格，对于赛车模型的适应能力比较强。在划分网格时应注意在一些敏感区域的网格大小应设置的小一些，以保证计算精度，如车身表面附近，在远离赛车模型的区域网格大小可以设置的稍大一些，以减少计算时间，如计算域的边界区域。本文对赛车模型的网格大小设置为32或者16，对计算域边界的网格大小设置为了1024。由于赛车周围气流受赛车影响较大，并赛车尾部形成了一个较大的尾流区，这些区域也需要提高计算精度，因此在赛车周围设置了一个密度区，并把密度区的网格大小设置为128,如图3.4.5。图3.6 ICEM中设置密度区文本是在windows 7平台下，CPU为Intel（R）Core（TM）i7 2.60GHz，内存8.0G，划分出来的网格个数为70万个。需要通过网格光顺化的方式提高网格划分质量，需要注意的是，网格质量必须高于0.1，这样的仿真才具有可信度，否则可信度非常低。网格的质量越高，计算的可信度越高。从图3.4.6来看，网格质量基本大于0.1，基本符合精度要求。图3.7 网格质量图3.5设定边界条件将赛车模型划分好网格之后，把其导入到fluent模块内，效果图如图3.8所示，其中计算域左边界为入口inlet，右边界为出口outlet，底面为底面ground，剩下的三个面为壁面sides。由于赛车模型的雷诺数较小，因此本文选择的湍流模型为k-epsilon湍流模型。接下来设定边界条件。赛车仿真分析模拟风洞实验，赛车相对于壁面静止，空气相对于赛车运动，风速大小为30m/s。入口边界条件：设置为速度入口，速度大小为30m/s。出口边界条件：设置为压力出口，压力大小为一个标准大气压。计算域壁面条件：设置为静止壁面，并设置粗糙度为0。地面滑移条件：设置为滑移壁面，速度大小为30m/s。车身边界条件：设置为静止壁面，选择无滑移边界条件。图3.8 FLUENT效果图3.6本章小结本章主要介绍的是FSAE赛车车身覆盖件流场分析时的前处理模块，简单叙述了CFD流场分析的原理，以及FSAE赛车模型的简化。在ICEM中对赛车模型进行的一系列设置进行了简单介绍，包括计算域的建立，设定密度区，划分网格，设定边界条件等。第4章 FSAE赛车外流场仿真分析4.1 FSAE赛车空气阻力结果分析设置完边界条件之后，可对赛车模型设置监视器，包括对赛车车身和轮胎的阻力、升力，以及计算过程中的公差范围。当计算过程中各方程的残差值小于设定的公差范围时，系统就会认定计算已经收敛，计算结束。本文对赛车模型在10m/s、20m/s、30m/s三种工况下进行计算，并记录下数据。数据如下表所示：表4.1 各工况下赛车气动阻力和气动升力车速10m/s20m/s30m/sCd0.540.530.52气动阻力（N）29.2114.5255.6气动升力（N）29.4117.8264.8迎风面积（）0.890.890.89从表4.1.1中可以看出，随着速度的增加，赛车所受的气动阻力和气动升力也大大增加。气动阻力从10m/s时29.2N增加到30m/s时的255.6N，气动升力从10m/s时的29.4N增加到30m/s时的264.8N，可见速度对阻力的影响非常之大。而气动升力在30m/s时可达264.8N，这对赛车是非常不利的，这将使赛车损失一部分的抓地能力，赛车在弯道的过弯速度和过弯稳定性也将大大影响，从这个角度也可以看出赛车安装空气动力学套件的必要性。赛车的空气阻力系数为0.53左右，这个数值在开轮式赛车中显得中规中矩。在FSAE赛车比赛中，由于组委会对最高速度的限制以及在赛道中设置绕桩区的限制，使得赛车在比赛中频率最高的速度段为60km-70km之间，因此，本文将重点研究车速为20m/s时的赛车空气动力学特性。表4.2 赛车各部位受力情况赛车部位压差阻力（N）摩擦阻力（N）总阻力（N）Cd气动升力（N）车身64.33.167.40.31109.0轮胎45.21.947.10.228.8合计109.55.0114.50.53117.8从表4.1.2中可以看出，无论对于车身还是轮胎，气动阻力中压差阻力都占了绝大部分，都在95%左右，其主要原因还是因为赛车模型有几个主要的迎风面，并且对赛车侧箱做了封闭处理。而赛车轮胎的气动阻力占总气动阻力的41%左右，这是由于气流在没有前鼻翼引导的情况下直接冲击轮胎所造成的，要进一步减小轮胎所受的气动阻力，就需要在赛车前部加装前鼻翼对气流进行引导，避免气流直接冲击在赛车轮胎的迎风面。而赛车的气动升力则主要赛车车身产生，要克服气动升力所带来的影响，需要在赛车上加装扩散器和后尾翼使得赛车在行驶过程中产生负升力。图4.1.1为赛车的压力系数云图，几个主要产生压力系数的部位分别为前鼻锥、前轮前侧、侧箱挡板和后轮前侧等主要迎风面，而在其他表面主要产生负压力系数。图4.1.2为赛车的总压力云图，可以看出在赛车前环前面的前仓产生的主要还是正压，并形成了一个高压区，而当气流经过前环到达座舱上方时，受前舱的影响这部分的气流将会向上方流动，因此相比前舱的压力会小了很多，但仍然是正压力。而在侧箱顶部，由于这部分被侧箱阻挡的气流向上加速流动，因而在侧箱顶部形成一个较小的负压区。图4.1 赛车压力系数图图4.2 赛车总压力图4.2 FSAE赛车流场分析从图4.2.1上来看，赛车周围气流流线整体良好，在赛车的中前部基本呈现良好的气流运动，但在赛车尾部以及后轮周围气流流线呈现不规则态势，较为混乱，可能形成涡流区，并在此区域形成负压，同时消耗大量能量，增大气动阻力。图4.3 赛车周围流线图图4.2.2为赛车车身的速度矢量图，从图中可以看出，当气流流向赛车的时候，首先在前鼻锥处被分成上下两股气流。被分离的上气流在前舱顶部相比来流速度稍有减慢，并在前舱顶部形成了一个高压区。在经过了前环区域之后，上气流继续附着在车身表面，并且速度迅速加快，使得座舱表面压力相比前舱有所减弱，但仍是正压。另一部分被分离的下气流则加速流向赛车底部，并在赛车底部形成一个高压区，这也是赛车车身产生气动升力的主要原因。之后上气流将与下气流在赛车尾部汇合，由于两部分气流速度快，因此会在赛车尾部形成一个真空区，并在此区域伴随着几个涡流。不同的涡流旋转方向不同，相互之间气流摩擦需要消耗大量的能量，使得这部分的气流呈现明显的负压，这也是赛车气动阻力的重要来源。图4.4 车身速度矢量图图4.2.3和图4.2.4分别为赛车车轮速度矢量俯视图和车轮速度矢量正视图，从这两张图中可以清晰地看出气流遇到赛车车轮之后的运动状态。由于赛事规则的规定，必须采用开轮式的赛车比赛地，因此赛车车轮也成了赛车气动阻力的重要构成部分。当气流垂直冲击前轮后，气流将会向前轮外侧和上侧扩散，气流速度也稍有减弱。由于比赛时赛车车轮将处于旋转状态，因此对于周围空气来说会有粘滞效应，也就不可避免的会在前轮后部产生涡流，这部分的涡流呈现也是负压。当气流经过前轮上表面之后，气流速度将会明显加快，将会在前轮后部形成一个负压区，上面所提到的涡流也是在这个区域产生的。而在后轮区域，由于前面前轮以及侧箱已经阻挡了一部分气流，使得到达后轮区域的气流的速度大大降低，对后轮的冲击也就大大减小。可见，赛车车轮的气动阻力主要集中在前轮上。后轮区域的气流速度相比前轮区域也稍有减弱，后轮后部的涡流区也比前轮区域稍小一点，因此后轮所消耗的能量相比前轮也稍小一点。图4.5 赛车车轮速度矢量图俯视图图4.6 赛车车轮速度矢量图正视图图4.7 赛车车轮速度矢量侧视图4.3添加尾翼赛车与原赛车比较为了增加赛车高速行驶时的下压力，改善赛车尾部的涡流状态，对赛车进行安装后尾翼处理，如图4.3.1所示。安装后尾翼的赛车受力情况与原赛车受力情况如下表所示：图4.8 添加尾翼赛车模型表4.3 原赛车与添加尾翼赛车受力情况比较原赛车添加尾翼赛车车身阻力67.472.9轮胎阻力47.141.3尾翼阻力83.4车身升力109.099.6轮胎升力8.8-7.9尾翼升力-181.8添加尾翼赛车模型是在原赛车模型的基础上添加尾翼，模型的其他部位均相同，并且两个模型的边界条件、入口速度等条件也都相同，因此可以认为两个模型是在相同条件进行仿真模拟的，两者存在可比性。从表中可以看出，添加尾翼的赛车与原赛车的车身阻力和轮胎阻力大致相等，但尾翼部分使得赛车的气动阻力增加了83.4N。当然，这部分的阻力作用在后尾翼上同时也会产生负升力。添加尾翼赛车的车身升力和轮胎升力在尾翼的作用下相比原赛车都有所减小，而尾翼则对赛车提供了181.8N的负升力。但由于72Km/h的速度相对来说仍然较低，若要继续增大尾翼的负升力，则需要进一步增大尾翼的尺寸，通过增大与气流的接触面积来提供更多的负升力。图4.3.2为添加尾翼赛车流线图，相比图4.2.1原赛车流线图，尾翼的存在可以引导一部分气流顺着翼片向上运动，不参与到赛车尾部的涡流中去，使得赛车尾部的混乱气流得到改善。但赛车尾部仍然存在着涡流区，通过赛车底部的气流和轮胎周围的气流汇合依然会产生涡流，若要改善这一部分的气流状态，则需在赛车底部加装扩散器，引导这部分的气流平稳通过。图4.9 添加尾翼赛车流线图图4.3.3为添加尾翼赛车速度矢量图，对比图4.2.2，在赛车前舱顶部、座舱顶部以及赛车底部的速度矢量大致相同。主要差别出现在尾翼区域附近。气流在经过前舱顶部后，在座舱上部向上加速运动。随后气流冲击到赛车尾翼翼片上，并在此区域形成一个高压区，在此区域会产生较大的阻力，但由于翼片特殊的形状以及相互间的安装位置，在此区域会产生更大的下压力。在此之后，一部分通过翼片的气流随着翼片的引导向上流动，而另一部分没有经过翼片的气流则通过翼片的下方参与到尾流之中，与其他气流汇合，产生一定的涡流。在尾翼后方的很长一段距离里，形成了一段相对真空的区域，但这个区域相比赛车尾部的真空区域，气流质量已改善不少。图4.10 添加尾翼赛车速度矢量云图图4.11 赛车压力流线云图4.4本章小结本章内容主要介绍了FSAE赛车模型的流场分析状况。其中对FSAE赛车模型在10m/s、20m/s、30m/s三种工况下所受的阻力升力进行了计算，并重点分析了赛车在20m/s速度时的外流场状况。同时在20m/s的工况下对加装尾翼的赛车和不添加尾翼的赛车进行了对比，分析这两者之间的差别以及赛车尾翼对阻力和负升力的影响。第5章 总结与展望本文以浙江工业大学FSAE赛车车身覆盖件为研究对象，为使赛车在比赛中取得良好成绩，主要研究了以下几个方面：（1） 从车身轻量化的角