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1、河 北 工 业 大 学毕 业 论 文作 者： 学 号： 110322 学 院： 系(专业)： 车辆工程 题 目： 大学生方程式赛车气动性优化设计 指导者： 讲师 (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2015年 05月 21 日毕业设计（论文）中文摘要大学生方程式赛车气动性能优化设计摘要： 赛车设计的初衷是轻快稳定，车身重是影响赛车燃油经济性和发动机功率的一个重要指标。重量减轻到一定指标的时候，会产生轮胎附着力达不到预期的问题，对赛车行驶的稳定性、操纵稳定性造成很大影响。赛车行驶速度较高时会产生升力并且空气阻力升高但是汽车附着力下降，影响汽车行驶的安全。为了避免发
2、生这样的问题，车身上增加空气动力学套件是一个有效措施。借助前后负升力翼，利用向下的负升力，来增加轮胎的附着力，进而解决这个问题。 本文借助仿真运用流体力学的知识，以空气对赛车产生的作用力为基础对空气动力得附加装置进行优化设计。运用UG建立简化的三维模型，利用ICEM对简化的三维模型加风洞后进行网格划分，利用fluent对其进行有限元分析，分析汽车外流场的速度、压力分布情况，以此为基础对汽车气动性能进行优化，得到一个理想的满足要求的大学方程式赛车的结构方案。 关键词： FSAE CFD 空气动力学 流场分析 4毕业设计（论文）外文摘要Title College students formula
3、aerodynamic performance optimization design Abstract: the car is designed light stability, body weight of the car fuel economy and an important indicator of engine power. To a reduction in weight index, produces tire adhesion can not reach the expected, on the car driving stability, steering stabili
4、ty caused great influence. The car speed is higher when generate lift and air resistance increases but the falling adhesion, affect the safety of the car. In order to avoid this problem, the car body increase aerodynamic kit is an effective measure. Before and after using the negative lift wing, dif
5、fuse, the use of negative lift down, to increase the adhesion of the tire, and then solve the problem.In this paper, by means of the simulation using the knowledge of fluid mechanics, on the basis of the air force on the car attachment for aerodynamic optimization design. Using UG to establish a sim
6、plified three-dimensional model, using ICEM to simplify the 3 d model of mesh division made after add wind tunnel, the use of fluent software for finite element analysis, analysis of the speed of the car flow field, pressure distribution, on this basis, optimize the aerodynamic kit, is an ideal meet
7、s the requirements of the university formula structure scheme.Keywords: FSAE CFD aerodynamic flow field analysis目 录1.绪论11.1课题研究的背景及意义11.2车身气动性研究现状21.3研究内容41.3.1 使用UG对车身进行建模61.3.2 前期处理71.3.3 边界条件设定71.3.4 FLUENT计算结果72.赛车空气动力学特性72.1负升力产生原理92.2空气动力学附加装置92.2.1前负升力翼92.2.2后负升力翼113 空气动力组件与车身的CAD初步模型134 空气动力
8、组件与车身的前期处理154.1 模型检查174.2 设置网格参数184.3 网格划分并检查质量195 空气动力组件与车身的流体分析205.1边界条件215.2 外流场分析21结 论25参 考 文 献26致 谢271. 绪论1.1课题研究的背景及意义 车身流体力学是车体与周围空气相对运动的研究时产生的相互作用和运动。气动性的优劣直接影响汽车上的经济性，动力性能，乘坐舒适性和操纵稳定性。汽车气动性的优化设计是目前汽车车身设计的一个重要方向，这直接影响的汽车的性能。大学方程式赛车的研究，国内车队，空已经有了一定的研究基础，气动性的优化设计已经被各个车队所重视。在日后更高规格的比赛中气动性的优化设计已
9、经成了必不可少的一部分，大学方程式是一场内场场地比赛，其对轮胎和场地的要求较高，在比赛的第一部分要求讲解赛车的设计理念与过程，并展示仿真分析；在比赛的第二部分就是要展示汽车的整体性能在赛制要求下以最快的速度完成比赛，方程式赛车为了跑的更快展示更大的功率就要以牺牲车重为代价，这是增加空气动力学套件就可以解决车重过轻的问题。比赛分为高速避障、8字绕环、75米加速、耐久赛四项。空气动力学特性在这四项比赛中都有重要影响。考虑到参赛车手不是专业车手，为了安全起见要限制车辆行驶的车速，所以赛道以弯道为主。这就要求赛车的弯道通过性良好。赛车的弯道性能不好直接影响了赛车的加速与行驶从而增加了完成比赛的时间。提
10、高弯道性能就要求车轮有足够的附着力，提高附着力在车重已定的前提下可以增加空气动力学套件而增加下压力以增加车轮附着力，从而提高汽车的操纵稳定性。汽车的车身工艺反应了一个国家工业的整体水平。车身是汽车四大部分之一。汽车车身的设计需要考虑，人体工程学，工程美学，安全，整车性能，制造工艺等方面的要求。随着石油价格的不断上升和人们对汽车性能要求的不断提高，对汽车气动性有很高的要求。风洞试验法，功率平衡法，功率计算法是汽车阻力系数计算的主要方法。而风洞试验法是主要的研究方法，但是风洞试验法需要高昂的研究经费和样车，效率低。这样采用流体力学软件模拟汽车外流场三维模型，可以缩短研究周期，提高研究效率。是目前主
11、要的研究方法。1.2车身气动性研究现状汽车工业起源于欧洲，现在汽车工业的技术也已欧美和日本最为成熟。包括空气动力学的研究，欧美也在世界的前列。随着汽车运动学仿真的发展和计算机技术的日益成熟，流体力学理论的不断发展。从70年代末、80年代初以欧美为中心的空气动力学优化设计的研究进行开展。欧美日的汽车企业在应用CFD对车身气动性的研究已经有了一定的基础，其对汽车气动性的研究应经有了一些成熟的研究成果。对车身气动性的研究最直接有效的方式就是风动试验，风洞中模拟了汽车外流场的一些条件，模拟汽车的行驶条件，对汽车的行驶参数进行测试。但是由于风动建造的成本太高，而且建造风动需要很长的建造周期。计算流体力学
12、（Computer Fluid Dynamic）作为一个独立学科迅速发展。CFD通过计算数值模拟和一些参数图形显示的途径，在时间和空间上对参数进行数值解析。以完成对想要研究的物理问题进行深入研究的目的。随着现代科学技术的发展，计算机技术正变得越来越成熟，应用计算机对参数进行模拟的技术越来越多的应用到了汽车大设计当中。目前，CFD技术已经成熟，有许多软件应用。目前主流的CFD仿真软件ANSYS和FLUENT的喜欢。在流体力学更准确的进一步研究，他可能是压力不可压缩的，非定常研究的问题，相应的数值模拟计算。CFD研究基本过程是：在原有的物理场的时域，如速度和压力场，在离散的点，而不是一组值的有限数
13、量的变量的范围连续，按一定的规则和方法，建立这些变量的离散点发挥关系代数方程，然后求解代数方程为变量近似。CFD技术因其研发周期短，费用低，实验效果可以满足要求，从而得到了迅速的发展，目前为止，CFD技术已成为汽车设计优化的毕竟过程的手段。虽然国内的CFD技术起步较晚，但是由于CFD可以加快研发的周期，我国加大了对CFD技术的研究与投入，随着我们对汽车理论技术的深入研究，我国增加了在相关方向的研究力度。对于汽车行驶条件要求较高的赛车，需要增加空气动力学套件已增加汽车车轮的附着力，从而提供更大的驱动力，更加充分的发挥汽车发动机的功率。赛车常用的增强行驶性能的装置有许多。例如定风翼、后扰流板、扩散
14、器，这样的装置都是为了增加车轮附着力，提高空气动力学效率，降低空气阻力，减弱空气升力。目前扩散器在汽车中广泛应用，它主要安装在汽车的中底部。目前这是效率最高的空气动力学套件，他不会产生阻力。他的工作原理是在汽车底部形成真空形成负压，将汽车紧紧的压在路面上。相对而言定风翼和后扰流板会在产生负升力的同时形成阻力。图1.1 前负升力翼图二 汽车空气力坐标系汽车在行驶过程中会受到来自地面和周围气流所给的力和力矩的作用，气流对汽车所产生的作用力由风速，汽车行驶速度，汽车的外形等几方面决定。气流作用于汽车的力和力矩是来自六个自由度方向的，坐标原点在前后轴的中心地面上（如图二）。气流对汽车所产生的阻力分为压力阻力和摩擦阻力，并且气流对汽车所产生的阻力主要为汽车外部的阻力。气流对汽车内部的影响主要是冷却通风的空气流。所有由此可见气流对汽车行驶的影响主要为外部阻力的影响。1.3研究内容赛车设计参数：发动机型号：CBR600；变速器：手动六档 国际档 ；轴距：1600mm；设计总重: 250kg ；轮辋直径：14英寸；最高时速：150km/h 学校有“FSAE”车队，需要对参赛车辆就行优化设计，以 “AERI
