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1、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姓名： 指导老师： 车身设计要求车身123空气动力学外形设计轻量化FSAE赛车车身结构车身轻量化的途径新材料应用结构性优化新工艺实施集成化设计为何采用碳纤维材料？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表1.碳纤
2、维与其他材料性能的比较碳纤维和芳纶材料的材料密度最低碳纤维材料的抗拉强度最高，具有较高拉伸模量碳纤维材料具有高比强度和高比模量，并远超其他材料耐腐蚀、抗疲劳、耐高温、膨胀系数小、尺寸稳定性高、导电车身造型碳纤维制作设备及耗材碳纤维材料制作工艺真空泵真空管止回阀真空管树脂收集器真空管注胶座密封模具系统注胶座真空管树脂进料罐碳纤维材料制作工艺碳纤维材料制作工艺检查气密性4利用真空泵导入树脂5等待树脂固化后取出碳纤维板6在模具表面涂脱膜蜡1依次添加碳布、脱模布、导流网2粘贴密封胶带、盖上真空袋膜3空气动力学实验方法风洞实验法1包括模型风洞实验法和实车风洞实验法实车道路实验法2用实车在道路上实验，包括
3、实车气动阻力测定，实车流态显示等实验计算流体力学方法3CFD简介u计算流体力学（简称CFD），是在经典力学、数值计算方法和计算机技术的基础上建立起来的新型学科。uCFD是利用计算机，通过对流动控制方程的数值求解，达到对赛车流场特性以及赛车气动性能研究的目的。u相比传统风洞实验，CFD方法具有设计周期短，成本低廉，有利于与CAD/CAE/CAM系统相衔接，更全面地了解流场运动等特点。车身造型前鼻翼扩散器后尾翼PART 1PART 2PART 3PART 4空气动力学主要部分简化后的模型（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
4、。（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。计算域的建立计算域的建立主要模仿风洞实验室的形状，其大小根据模型大小来确定，通常计算域的进口距离赛车前端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。此计算域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。划分网格划分网格的目的：用学术语言表达为计算区域的离散化，即将空间上连续的
5、计算区域划分为许多个子区域，并确定每个区域中的节点。数学上，生成网格后（即离散化后），就将连续的控制方程进行了离散，即将描写流动与传热的偏微分方程转化为各个节点上的代数方程组。划分网格的本质是用有限个离散的点来代替原来的连续空间。划分网格本文网格形式采用非结构网格中的四面体/混合网格，其主要采用四面体网格。网格大小决定了计算精度，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，并在赛车周围区域设置加密区，网格大小为128，提高这个区域的计算精度。提高网格质量湍流模型选择模型名称优点优点缺点缺点Spalart allaras计算量小，对一定复杂程度的便检查有较
6、好的效果计算效果没有被广泛测试，缺少子模型，如考虑燃烧或浮力问题Standard -应用多，计算量合适，有较多数据积累和相当精度对于流向有曲率变化、较强压力梯度、有旋问题等复杂流动模拟效果欠缺RNG -能模拟射流撞击、分离流、二次流、旋流等中等复杂流动受到涡旋粘性各向同性假设限制Realizable -和RNG模型差不多，还可以模拟圆口射流问题受到涡旋粘性各向同性假设限制雷诺应力模考虑的物理机理更仔细，包括了湍流各向异性影响CPU时间长（23倍）却是和湍流量高度耦合表2 各湍流模型比较流体的流动形式流体种类流体种类判断依据判断依据判断判断实际流体是否考虑流体的黏性是理想流体否只在理论研究初期或
7、简化问题时采用可压缩流体流体可压缩的大小大密度随压强变化较大且不可视为常数的流体，速度大于50m/s时需考虑不可压缩流体小密度随压强变化很小且可视为常数的流体本文的流场采用定常、等温、不可压缩的三维流场处理。表3 流体类型设置边界条件出口边界条件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入口边界条件入口边界条件设置为速度入口，速度大小为20m/s地面滑移条件地面滑移条件设置为滑移壁面，速度大小为20m/s计算域壁面条件计算域壁面条件设置为静止壁面，并设置粗糙度为0车身边界条件车身边界条件设置为静止壁面，选择无滑移边界条件设置监视器设置监视器的目的：由于FLUENT计算过程中以残差值作
8、为计算指标，当计算过程中残差值小于指定值或检测值不再发生明显变化时，可认为计算收敛。监视器将对计算结果进行监视，当计算残差值小于设定值时，自动结束计算，并将显示计算结果。CFDCFD后处理后处理车速车速10m/s20m/s30m/sCd0.540.530.52气动阻力29.2114.5255.6气动升力29.4117.8264.8迎风面积0.890.890.89表4 各工况下赛车气动阻力和气动升力赛车部位赛车部位压差阻力压差阻力摩擦阻力摩擦阻力总阻力总阻力Cd气动升力气动升力车身64.33.167.40.31109.0轮胎45.21.947.10.228.8合计109.55.0114.50.53117.8表5 20m/s时赛车各部位受力情况赛车压力图及流线图车身及车轮速度矢量图后尾翼造型添加尾翼赛车原赛车原赛车添加尾翼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表6 原赛车与添加尾翼赛车受力情况比较添加尾翼赛车云图
