F1赛车外形缩比设计方法

崔博然+林海英

摘 要：为了更快地设计F1赛车外形，设计并制造比例为1∶23的F1赛车缩比模型，通过空气动力学软件以及有限元软件分别对模型的空气动力学特性以及强度进行了校核，根据仿真结果对设计方案进行初步优化。根据初步优化的设计方案制造缩比模型，对制造得到的整车缩比模型进行风洞试验和底盘测功试验。结果表明，初步优化的模型在空动特性上存在一定不足，据此对设计方案做进一步的完善，进而得到更加优化的设计方案。

关键词：F1缩比模型；空气动力学；悬架强度；风洞试验；底盘测功机

中图分类号：U469.6+96文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.05.08

F1赛车近年来成为竞速爱好者们的新宠，而空气动力学对F1赛车性能的影响具有决定性的作用，因此如何快速设计出具备优异空气动力学特性的F1赛车成为各大赛车制造商关心的问题。以往很多研究都针对F1赛车的气动特性展开[1-3]，进而通过研究结果为其外形设计提供参考信息。通常进行软件模拟之后的结果大多直接用于指导设计，从设计到制造出一辆完整的F1赛车，是一项复杂的工程，需要耗费大量时间，在进行实车测试之后，极有可能还需要进行完善修改，这就使整个制造周期非常漫长，成本也很高。一种快速、方便、高效率、低成本的设计方法亟待被开发。本文提出了通过模拟进行预设计，制造整车缩比模型进行各类测试，得到反馈数据后用于优化设计这样一个设计流程，可以在外形设计方面缩短设计周期，降低成本，提高效率。

1 赛车缩比模型空气动力学和悬架结构优化

1.1 空气动力学优化

赛车缩比模型的空气动力学模拟是在制造缩比模型之前进行的，根据原始设计方案先进行缩比模型的软件建模，然后通过模拟软件对赛车模型进行初步的优化，根据初步优化的设计方案制备实体缩比模型，再对制备的真实模型进行各类试验测试，得到数据参数。这样的设计方法使赛车外形的设计周期缩短，效率提高。

如图1所示，初步设计车身形状为水滴状，改变前翼的角度以覆盖更多的区域，同时在尾翼添加一个菱形的突起。经过软件模拟之后发现，这种形状的翼板会颠倒气流，进而容易在风洞中形成更多的涡流，赛车在行驶过程中会出现抖动。

考虑上述设计车型有重量大、翼板形状差等问题，对其设计方案进行了修正，如图2所示。车身的形状改变为更加细长的牙膏状，这比之前的水滴状车身减少了很大一部分体积，重量随之下降。前翼和后翼也作了一定改变，同时在车身两侧加了侧舱。模拟之后发现这种形状的前后翼并不会给空气动力学特性带来较大提高，而且侧舱与车身之间容易出现缝隙。因此还需对车身外形进行改进。

针对上述侧面舱的问题，将其改为翅膀状，前后翼的形状也类似翅膀，车身仿照火箭的形状，如图3所示。在模拟过程中发现，单片的“翅膀”无法形成侧舱，因此将“翅膀”的底部加厚，这样可以有效减少涡流。

为了进一步优化车身形状，在车身上添加了翅膀的形状，从而可以将侧舱加以简化，同时驾驶舱也得到了简化。抬高赛车前端，加厚了主车身与前舱之间的连接，使前翼足够稳定且可以覆盖足够大的区域，如图4所示。但是该车身仍然较重，不利于快速行驶。

进一步优化车身外形，将侧舱设计成梭形，赛车底部空间更大，前舱和前翼部分所占空间减少，如图5所示。该车型的空气动力学模拟结果良好，最终确认为缩比模型的初步优化车型。

其中最后两种车型的模拟数据对比见表1，可以看到经过侧舱形状的优化之后，赛车模型的气动阻力有所下降，气动特性有所改善。

经过多次模拟，发现赛车模型中存在的问题并逐一解决，使设计方案不断完善。在最终得到较为完美的设计方案之后，进行实体模型的制作，随后对实体模型进行试验，发现模拟过程中没有发现的问题，进而继续改进设计方案。

1.2 悬架系统强度优化

空气动力学模拟可以得到赛车车身形状、前后翼形状及排布对于赛车行驶过程中空气动力学响应的影响，指导设计方案的改进。对于支撑系统而言，其强度的校核才是设计的关键。在整车缩比模型设计过程中，悬架系统的形状设计对于其强度的影响是十分重要的。由于缩比模型和实际赛车在材料上的不同，导致其材料的参数差异，因此悬架系统的设计以考虑形状为主。如图6所示，这类悬架形状会导致中部挠度过大，应力集中，极容易出现断裂，必须进行优化。

改变上述悬架与车身的连接方式，使形状变为方形，如图7所示。从模拟结果来看，该种悬架强度更高，变形量小。但受限于加工工艺，该种悬架也必须进行优化改进。

为了减轻重量，同时又能很好地支撑车身，设计了如图8所示的悬架。该悬架每侧有三根杆，可以有效支撑车身，同时又保证只占很小的体积。但由于同样的原因，这样的形状在采用3D打印技术加工时会出现一些问题而导致加工困难，并且杆的加入导致悬架形状复杂，在行驶过程中容易出现湍流，因此该悬架同样需要进行优化。

经过多次改进之后的悬架如图9所示，这类悬架虽然重量较大，但是形状不容易发生改变，能够承受较大载荷。而且这样的悬架容易加工，便于连接，所以最终选择该类型悬架作为缩比模型的悬架。

2 赛车缩比模型制备方法

本文主要采用两种方法来制备各部分零件，即计算机辅助设计与数控机床技术以及3D打印技术。计算机辅助设计技术在机械设计领域已经得到了广泛的应用，其将绘图、分析、处理和仿真等功能集于一身，使设计时间大大缩短，降低了设计的周期和成本，大幅提高了设计效率和质量[4]。同样的，3D打印技术在近几年内迅速发展，在工业设计、机械制造、航空航天等领域的应用逐渐扩大，具有快速、可实现复杂形状等优点[5]。根据本文中缩比模型各部分零件的特点，针对性地选择上述两种方法进行制备，具体分述如下。

2.1 模型车身

选择工程塑料作为缩比模型车身的原材料，采用上述的计算机辅助设计方法，在设计完成车身形状的基础上，通过电脑操控机床进行切割。在切割过程中有两种刀头可供选择：3.175 mm的平头刀头和3 mm的球头刀头。使用平头刀头切割的车身会在表面形成一条条肋状的条纹，导致表面粗糙度过高，影响空气动力学特性，因此不采用该种刀头。考虑到整个车身的外轮廓都是流线型的曲线，就对所有的棱角处都进行圆角化处理，采用了球头刀头进行切割。整个车身的加工流程耗时约3 h，因此该工艺可以短时高精度地制备缩比模型的车身，具体的加工过程示意如图10所示。

2.2 模型悬架系统以及前、后翼子板

缩比模型支撑系统的悬架、前翼以及后翼等部件的尺寸都比较小，在设计过程中经过模拟检验之后可能出现多次修改，因此本文采用3D打印的手段进行这类零部件的加工，材料同样选择工程塑料。采用3D打印技术可以实现灵活快速制备，适应设计过程中的高频修改，避免出现额外的不必要浪费，降低成本。

2.3 模型车轮

缩比模型车轮的加工采用了上面提到的两种方法。用3D打印技术打印的塑料车轮重量过大并且质量差，因此最终采用车床加工的车轮，精度高、稳定性好。如图11所示，由3D打印技术打印的丙烯腈（ABS）车轮重量很轻，但是表面过于粗糙，可能会导致赛车在行驶过程中产生过多的摩擦，降低行驶速度；由聚四氟乙烯制造的车轮足够轻，但是太软，容易产生变形，可能会导致行驶方向的不稳定；由硬铝制造的车轮强度足够，但是重量不够轻，同样会降低行驶速度；由钛合金制造的车轮重量太大。最后综合考虑各项因素，选用了车床加工的以ABS为原材料的车轮。

2.4 模型组装

在所有零部件都加工完毕之后，开始进行组装。首先进行车身喷漆，主要是为了使车身表面更加光滑，拥有良好的空气动力学特性，其次是为了美观的外形。然后进行车身打光，这部分工作可以使车身表面的粗糙度变得很低，对于车身的气动特性而言具有很大的帮助。零部件都喷漆打光完毕后再进行预组装，所谓预组装就是先简单组装一遍，看看各零部件之间的配合是否满足要求，如果不满足要求就可以尽快更换，避免出现组装完毕之后才发现问题而带来不必要的麻烦。预组装发现没有问题之后进行车身涂漆，这次涂漆主要是为了外观效果。涂完漆之后进行最后的组装，将各部分零件按照设计的结构进行组装。组装完后要进行校准，校准采用的工具尺如图12所示，该工具尺根据初始设计图纸确定，保证组装出来的模型可以较为严格地符合设计方案的精度。校准完毕后进行最终的固定。进过这一系列步骤后，可以得到F1赛车的缩比模型。

3 赛车缩比模型试验

3.1 赛车模型风洞试验

在经过空气动力学软件模拟以及悬架系统强度模拟之后，设计方案已经较为完善，很多在模拟中出现的问题都通过优化车身外形结构得到了解决。为了进一步测试设计的F1赛车缩比模型的空气动力学特性，测量其在现实中行驶所受的阻力，进行了缩比模型的风洞试验，如图13所示。

通过风洞试验的结果，结合空气动力学模拟的数据，对出现的问题进行分析，考虑可行的修改方案。得到修改方案之后先在模拟软件中进行模拟，观测方案的可行性，而不是直接对模型进行修改，避免出现多次问题带来的不必要的工程量。根据修改优化的方案对车身形状以及各部件形状进一步地优化，从而达到更好的空气动力学特性，使其在现实中能以更快更稳定的速度行驶。

3.2 赛车模型底盘测功试验

最后还对实体的缩比模型进行了底盘测功试验，如图14所示。底盘测功机主要是通过两个飞轮转动的转动惯量来模拟车辆运动时的转动惯量以及直线行驶的质量的惯量，不用在实际环境中进行运动，试验较为方便。本试验采用的小型测功机是自行搭建的，适用于本文所研究的1∶23缩比模型的尺寸。通过该试验的结果，分析得到赛车模型在行驶过程中受到的阻力情况，对赛车的动力性进行评估，从而得到赛车外形设计的合理方案，进一步为整个设计的改进提供信息。

4 结论

本文在得到F1赛车初步设计图纸之后，首先采用模拟软件对F1赛车的缩比模型进行空气动力学特性以及部件强度特性的模拟，通过对模拟结果进行分析，找到出现的问题并采取相应的措施予以解决，不断改进设计方案，对赛车缩比模型的外形结构进行优化，从而得到较为合理的设计方案。按照模拟之后得到的初步优化设计方案制造出整车的实体缩比模型，并对缩比模型进行了风洞试验和底盘测功试验等，对得到的试验数据进行处理分析，发现模拟过程中未能解决的问题并提出改进方案。通过试验得到的改进方案同样先经过模拟软件的检验，避免出现不必要的工程量。这样的方法可以进一步地优化设计方案，得到更加完美的赛车外形设计。这种F1赛车外形的设计方法快速、高效、成本低，有望成为一种新的赛车设计手段而被应用于现在的赛车制造市场。但该方法仅限于赛车的外形设计，对于细节设计或者各功能系统的设计还需要进一步的研究。