大学生方程式赛车空气动力学套件设计

王世权 张一鸣 任豪放

摘要：增加赛车负升力，提高赛车稳定性，实现赛车轻量化。以武汉理工大学WUT车队2019赛季赛车为例，利用CATIA软件创建空气动力学套件各组件三维模型，利用ANSYS软件fluent模塊对加装空气动力学套件的整车进行外流场分析，将结果与上赛季数据进行对比，观察赛车空气动力学特性。赛车负升力较上赛季增加20%以上;空套总质量较上赛季减轻40%以上。有效地提高了赛车的过弯速度和行驶稳定性，在保证安全性、可靠性的同时进一步实现了轻量化，为赛车设计提供参考。

关键词：大学生方程式赛车 空气动力学套件 负升力 仿真分析 轻量化

中图分类号：U463.99

文献标识码：A

文章编号：1003-0069 （2020） 07-0008-03

引言

中国大学生方程式汽车大赛要求各参赛车队遵照大赛规则，在为期一年的时间里，车队全体成员一起设计，并制造出一辆性能优异的赛车，最后到参赛场地争取成功完成全部或部分赛事环节[1]。自中国大学生方程式汽车大赛开办以来，武汉理工大学WUT车队始终积极参赛，有过辉煌的成绩，也有过失败的教训，2019赛季的赛车，在保留WUT车队风格的基础上，合理地运用各项新技术，使赛车的性能有了很大的提高。

随着中国大学生方程式汽车大赛的发展，越来越多的院校开始注重空气动力学的研究，希望通过引入空气动力学套件来提高赛车的控制性能和稳定性，进而提高赛车竞赛成绩。空气动力学套件主要由前翼、扩散器、尾冀3个部分构成。空气动力学套件可以利用空气动力学原理增大赛车的负升力，而增大的负升力会作用在车轮上，使得车轮获得更好的抓地力。研究表明，当增大作用在轮胎上面的垂直载荷时，轮胎的侧偏刚度也随之提高[2]，侧偏刚度越高轮胎可以承受的侧向力也就越大，从而使得赛车的侧向加速度以及过弯速度得以提高。

一、设计目标

参考上赛季（2018赛季，下同）空气动力学套件的优点以及所遇到的问题，依据《2019中国大学生方程式大赛规则》，设计并优化本赛季（2019赛季，下同）空气动力学套件，设计目标如下：

（一）优化前、尾翼翼型结构，使负升力较上赛季（2018赛季，下同）在相同速度下增加20%以上;

（二）优化翼型内部支撑结构和空套连接方式，兼顾可靠性的同时通过轻量化来实现节能减排，预计使空气动力学总套件质量较上赛季减轻30%以上。

二、前翼设计

前翼是赛车空气动力学套件的重要组成部件之一.一般由翼片和端板组成，主要作用是对气流进行引导，使气流绕开赛车前轮，减小前轮的阻力，并增大赛车前部的下压力。

（一）翼型的选择：按照以往赛季积累的经验以及对网上资料的查阅，在Profili翼型库，通过对使用不同攻角时的翼型升力系数和阻力系数之间关系的对比分析，如图1所示，可以看出所选翼型攻角在80到120时升力系数变化不大，但是阻力系数一直在增加，最终选取了CHlO翼型，主翼攻角为8°。又因为前翼总攻角在22.5。容易发生失速现象[3]，同时考虑到前翼总高度的规则要求，所以选择襟翼攻角为20°。

（二）翼片相关参数以及间隙的选取：参照《2019中国大学生方程式大赛规则》中车身空套的相关规则，我们选取主翼宽度为1300mm，弦长为360mm;襟翼宽度为400mm，弦长240mm。主翼和第一片襟翼的间隙根据以往赛季的经验约为5%的主翼弦长，取为18mm。并且所有规则要求的地方都进行了倒圆角处理。

（三）前翼CATIA模型的建立：按照所选择的翼型以及相关参数，参考上赛季的建模过程，通过CATIA软件建立了前翼的三维模型，如图2所示。

（四）前翼的优化：在后续的整车模型组装过程中发现，虽然前翼襟翼在满足规则的情况下可以提供很多的下压力，并且能有效整理气流，但是由于襟翼总高度过高导致大量气流被导走无法进入侧箱，进而扩散器进气量过小无法正常工作。所以我们继续在符合规则的前提下对前冀襟翼进行优化，设计的格尼襟翼不仅美化了端板也增大了下压力，前翼端板后部弯曲设计可以有效引导气流避开前轮。最终确定主翼总高度为202mm，在留足离地间隙的情况下，满足规则。优化后前翼的主翼、襟翼结构的空间布置如图3所示，三维模型如图4所示。

三、尾翼设计

尾冀也是赛车空套的重要组成部分之一，位于赛车末端，设计合理的尾翼提供的负升力几乎可以占到整车的30%，为赛车在赛道上的平稳行进提高保障，在后轮上方提供的下压力可以使动力输出转化为牵引力的效果更纯粹。计划设计一款三片式的尾翼，尾翼总长为900mm，端板总高630mm，总宽700mm。设计完成后经过软件装配到整车上，符合比赛规则的要求。

（一）翼型的选择：利用Profili软件，通过对比多组低速翼型在不同雷诺数（速度数据来源：武汉理工大学WUT车队车手组速度数据库）下的综合表现，升力系数和阻力系数的关系如图5所示，最终确定CHlO为本赛季赛车的翼型。

（二）尾翼翼片相关参数及间隙的选取：基于车身空套规则，设计主冀弦长为400mm，第一副翼弦长250mm，第二副翼弦长为150mm。参考俞凯南等[4]对尾翼缝道参数进行的研究，不同尾翼缝道下的尾翼气动参数如表1所示，最终设计主冀和第一副翼之间的间隙为25mm，第一副翼与第二副冀的间隙为13mm。

从表1中可以看出，在适当范围内增加翼缝的竖直距离，能够改善尾翼的气动特性。综合尾翼气动参数，最终选择水平距离和竖直距离均为5%c来设计尾翼翼缝。

（三）后翼CATIA模型的建立：首先借鉴德国大学生方程式赛车的尾冀设计，结合所选择的翼型以及相关参数，设计出较为符合车身的尾冀。细节处理方面，在尾翼端板尾部设置切口，可以引入气流以平衡赛车尾部气流，降低赛车空气动力学敏感性。最后参考上赛季的建模过程，通过CATIA软件建立了后翼的三维模型，如图6所示。

（四）尾翼的优化：本赛季预计设计出一款分区域可调式尾翼系统，将以尾翼中间的短板为界，将尾翼分为两个部分，以实现在直道加速时调整翼片攻角使之失速，减少阻力，减少赛车加速时间;在赛车过弯时，利用左右翼片攻角不同而得到的阻力和下压力不同来稳定车身，使赛车过弯时车身更加平稳、速度更高;在刹车时，增大翼片攻角与迎风面积，提高尾翼所带来的下压力和阻力，辅助赛车的刹车系统。

四、扩散器设计

扩散器装载在赛车底部，是赛车获得负升力的主要来源之_。扩散器利用流体流动速度快的地方压强小的原理，通过截面积逐渐扩大的流道将赛车底部的气流分流疏导，使气流逐渐加速导出，实现赛车底部气流的加速，使得赛车底部形成低压区，赛车上方的气流气压大于底部的气流气压，从而形成气压差，产生负升力并作用于车身，增加赛车的抓地力。结合赛车车身结构，参照< 2019中国大学生方程式大赛规则》中相关规则，设计了-一款既满足性能要求又美观的扩散器。最后通过CATIA软件建立了扩散器的三维模型，如图7所示。

五、整车仿真分析

对一辆赛车而言，独立地对空气动力学套件进行仿真分析的意义不大，只有将空气动力学套件装配在赛车上，对整车的外流场进行分析讨论，才能判断赛车的空气动力学特性是否可观[5]。将空气动力学套件装配到赛车上进行整车外流场分析，对结果进行讨论。

首先使用CATIA建立用于有限元分析的简易模型，然后运用ANSYS fluent模块进行赛车外流场分析。将简易模型导入fluent模块中后，对其设置两个外壳，一个为赛车外流场区域，计算域入口边界与赛车车身最前端的距离设置为车身长度的5倍，计算域出口边界与赛车尾端的距离设置为车身长度的7倍。出口的距离距车尾设置较远，可以更好地模拟赛车在其尾部形成涡流的全过程，若距车尾太近，则尾部涡流在形成的过程中会受到计算域的影响，不能充分发展，甚至会出现回流现象，影响数值仿真的精度。计算域的宽度为赛车的4.5倍，高为赛车的5倍;另一个为网格加密区，如图8所示，使用半模分析以简化计算量。

并且在赛车表面设置三层边界层网格，第—层网格大小采用Y+计算器得到的数据取整，为1mm，每层网格大小递增1.2倍，具体参数如图9所示。

分析时，车辆在流场中是不动的，但相对地面运动，故设置地面为运动地面，设置车速为60km/h，即地面运动速度为60km/h，其他参数按车辆具体参数进行填写，保存设置开始计算。最终获得仿真分析结果为整车负升力为403N （60km/h），较上赛季结果303N提高了约330玷。得到的整车流场如图10所示。

由图10可见，整车最大压力位于前翼和尾翼。在整车外流场中，可以看到绕流主要为前车轮绕流和尾翼翼片绕流。对于不加装前翼的赛车，车轮是整车气动阻力的重要来源，加装前冀之后，赛车前翼可对赛车前轮附近区域的气流进行引导，使气流从车轮上方绕过，进而降低以前轮车身以及赛车中前部的气动阻力，增大负升力。加装扩散器后，赛车底部的气流受扩散器引导流动，加快流动速度，根据伯努力方程可以知道，流速大的地方压强低，赛车底部加速流动的气流会在赛车底部形成低压区，与赛车上部气流形成压力差，进而使赛车获得巨大的负升力。此外，不加装尾翼的话，气流运动到车手头部位置开始分离，并于赛车尾部形成负压区，负压区会形成涡流，消耗能量。加装尾翼后，气流在尾翼后端发生分离，尾翼翼片部分气流如图中所示相对较稳定。尾翼靠近扩散器，外界气流绕过头枕位置时会分离并在尾翼翼片之下形成涡流，必然会干扰尾翼翼片下表面的负压，使其减小，扩散器中气流速度加快，从而使扩散器对赛车下方气流的抽吸作用得以增强，进一步加速赛车下方的气流，增大赛车的负升力。并且尾翼创造的负压越强、越靠近尾部扩散器，加速车辆下方气流的效果越显著[6]。

本赛季设计的为可调式尾翼系统，结合赛事数据运用控制变量的方法可以找到最优的攻角角度变量。在直线加速时，左右襟翼均要将攻角调至0°，可以减少尾翼与空气接触面积以减少阻力，缩短加速时间，提高比赛成绩;在刹车时，左右襟翼均要将攻角调至50°，增大尾翼与空气接触面积以增大阻力，在赛车尾部提供一个“拖拽力”，使刹车效率提高，缩短刹车时间和距离;在转弯时，将内测的尾翼攻角调制500，弯道外侧的攻角调至200及以下，将可以获得最佳的过弯速度优化约为5-8km/。

将车速设置为40km/h、50km/h、70km/h、80km/h，再分别进行几组整车外流场分析，将最终得到的空套负升力数值与上一赛季同等速度下数据进行比较，所得结果如表2、图11所示。

由表2、图11可以看出，2019赛季与2018赛季相比，空气动力学套件在相同速度下的负升力有了明显提高，实现了负升力较上赛季增加20%以上的目标。

六、轻量化

研究证明，汽车重量减轻将有利于降低汽车油耗，提升其加速性并且缩短其制动距离。出于安全性考虑，中国大学生方程式大赛规则对赛车最高车速有着一定的限制，在这种情况下想要提高竞赛成绩，就必须提高赛车的加速性能。而提高赛车的加速性能除了增加赛车的动力之外，减轻赛车总质量也是一个重要方向。因此，轻量化也是目前中国大学生方程式赛车的发展趋势。目前赛车轻量化研究方向主要有：材料轻量化、结构轻量化、制造轻量化和功能轻量化[7]。本文主要采用材料轻量化和制造轻量化方法达到轻量化的目的。

（一）材料轻量化：上赛季空气动力学套件预埋件采用的是铝合金材质，重量较重，在经过仔细考虑，验证安全可靠性之后，决定在本赛季空气动力学套件的设计中，采用泡沫预埋件，在空气动力学套件各组件形状尺寸已做优化的情况下大大减轻了预埋件的重量。并且在空套连接时也将铝合金支架变成了碳纤维材料，达到空气动力学套件轻量化的目的。

（二）制造轻量化：主要通过改变制造过程中的连接方式来实现轻量化，同时连接所使用的材料较上赛季也发生变化，达到了一定的轻量化目的。上赛季空套的连接方式为铝合金支架连接，经过对比分析之后决定，本赛季空套的连接方式改为碳纤维管连接。相同的截面积，碳纤维管能承受的载荷是铝合金的数倍，同时考虑到在意外发生时，碳纤维在碰撞之后发生破碎时会直接变成碎片，不会对车手造成伤害，并且大量吸收碰撞时的能量，保护车手，在保证安全性、可靠性的同时进一步实现了轻量化。

上赛季空气动力学套质量为20kg，本赛季经过改用泡沫预埋件、改用碳纤维管连接后空气动力学套质量为11kg，较上赛季减轻45%，超过了预期，在保证可靠性的同时实现了轻量化，达到了节能减排的目标。

结语

文章以武汉理工大学WUT车队2019赛季赛车为例，利用CATIA软件设计了符合大赛要求的空气动力学套件，并利用ANSYS软件fluent模块对整车进行仿真分析，结果表明所设计的空气动力学套件不仅减少了一部分赛车前部的气动阻力，还明显增加了整车的负升力，有效提高了赛车的过弯速度和行驶稳定性。在轻量化方面，在保证安全可靠的同时本赛季空气动力学套件质量较上赛季减重了45%，超过了预期的轻量化目标，实现了节能减排的目的。此次设计的空气动力学套件完全达到了预期目标，最终助力武汉理工大学WUT车队在2019中国大学生方程式汽車大赛中取得了本科组三等奖的成绩。

参考文献

[1]中国大学生方程式汽车大赛[J]汽车工程学报，2012，2 （02）：146

[2]余志生.汽车理论[M].5版北京：机械工业出版社，2009

[3]周涛.基于CFD的大学生方程式赛车空气动力学套件设计[D]重庆大学，2017

[4]俞凯南，谢世滨.基于CFD的FSAE赛车尾翼设计及优化研究[J]机电工程，2018，35 （01）：13-21

[5]吴超，邓召文，王迪.FSC方程式赛车空气动力学套件性能分析[J]湖北汽车工业学院学报，2015 （2）：28-32

[6]杨炜，谢睿轩，曹子浩，等.大学生方程式赛车空气动力学套件改进[J].中国科技论文，2018，13 （17）：2050—2054

[7]彭仁杰，阳林，周永光，等FSC赛车轻量化系统研究田客车技术与研究，2014，36 （03）：13-16