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-文献综述

（文献综述） 文献综述题目：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： 11目录1.前言32.主题33.本课题应实现的关键问题94.参考文献9FSAE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. 前言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”。2. 主题2.1 FSAE赛车车身和尾翼及CFD分析FSAE是一项竞速型赛事，对赛车的重量控制有着很高的要求。因此，FSAE赛车的轻量化便至关重要。作为赛车轻量化重要组成部分之一的车身部分便要使用足够轻的材料，并要保持一定强度。我们选用碳纤维增强材料作为车身材料。碳纤维是一种连续的细丝碳材料，通过有机纤维碳化及石墨化处理而得到，含碳量高于90%，直径范围在68内，仅为人的头发丝的1/3左右。是近数十年以来为满足高性能飞机以及汽车工业的需求而发展起来的一种新型材料。碳材料不溶于任何溶剂，也不能用熔融纺丝法制取，而是由有机高分子材料（聚丙烯晴纤维）或石油沥青或煤沥青纤维经专门的碳化处理而制得的。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以上，而拉伸强度仅是碳纤维复合材料的，模量则更低，不到，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。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。1936年，Kamm和Koeing几乎同时申请了一项车身专利，即戴尾车。他们通过实验发现，将尾流区附近的车身后部去除，不仅不会造成压差阻力的增加，反而会提高车辆的稳定性。1970年，英国人A.J.赛博提出了“鲸状”理论模型，如图1所示。该理论模型虽然将气动阻力控制在较小的水平，但气动升力较大，横向不稳定性偏大，相关结构布置比较困难。图1.“鲸状”理论模型1976年，在意大利以A.Morelli教授为首的研究团队提出了一个比例为1:2的基本模型，如图2所示。若将此模型转换成实车，估计其阻力系数将在0.23左右。图2.A.Morelli教授提出的基本模型通过马车型车身，箱型车身，甲壳虫型车身，船型车身，鱼型车身，楔型车身不断演化，车身造型朝着减小气动阻力和外形优化的方向发展。而后尾翼的研究最早主要用于高速运行的赛车，如Formula 1赛车等。各支车队为了取得好成绩，展示自己的科技水平，都在空气动力学研究上花费了大量的人力物力，希望能将自己的赛车上所受的空气阻力减小，把原本的升力降低甚至变为负升力。从而增加赛车车轮与地面的附着力，提高赛车的驱动稳定性。为达到这些目的，赛车上安装了一系列空气动力学套件，包括前鼻翼、扩散器、后尾翼等。当空气在赛车周围流过时，赛车尾部的尾翼会决定空气的流动速度。后尾翼的作用就是不增加赛车重量的前提下在行驶过程中增加赛车的下压力。若尾翼不能提供足够的下压力，就会导致赛车过多转向特性，后轮地面附着力较小，高速稳定性差等一系列问题。赛车后尾翼的倾斜角增大可以增大赛车的下压力，但同时也会增加赛车所受的空气阻力，因此赛车后尾翼的倾斜角不宜过大。如Formula 1赛车的后尾翼倾斜角度一般为15左右，高速行驶时可提供1000N以上的下压力。CFD技术是随着计算机技术、数值计算技术的兴起而开始发展的一门学科。它将计算区域离散为很多小空间和小时间间隔，在这些小空间和小时间间隔内，将微分方程近似的用一系列的代数方程表示，而这些代数方程可以用计算机进行求解。解的精确度取决于所使用的各种计算工具和离散的方法。它综合了计算数学、科学可视化、流体力学和计算机科学在内的多门学科。其拥有以下一些特点： (1) 数值模拟方法设计周期短。（2）能够和CAD/CAE/CAM系统相衔接。（3）数值模拟可以不受风洞那样的限制，计算机可以将计算空间做的很大，以消除这些条件的影响。（4）数值模拟的方法在某种意义上来说比实验或理论对流体运动的过程有更深刻的认识，更为细致。2.2国外研究发展现状及发展趋势根据预测，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%。目前碳纤维材料的应用扔处于起步阶段，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层碳纤维材料叠加在一起，再根据图纸进行切割，最后才能变成宝马i3的零部件。目前，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。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3.Formula 1赛车车身发展轨迹如图3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4.Formula 1赛车气动特性演化图如图4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4.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。2.3国内研究发展现状及发展趋势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。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90km/h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. 本课题应实现的关键问题（1） 碳纤维车身设计使用三维软件完成碳纤维车身部分设计工作，使车身满足碳纤维工艺要求，并具有良好的空气动力学性能。（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） 车身和后尾翼的动力学分析通过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。4. 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 Goph