FSAE賽車車身氣動(dòng)造型：設(shè)計(jì)原理、優(yōu)化策略與實(shí)踐應(yīng)用一、引言1.1FSAE賽車賽事背景與意義FSAE（FormulaSAE），即大學(xué)生方程式賽車賽事，是一項(xiàng)在全球范圍內(nèi)極具影響力的大學(xué)生工程競(jìng)賽。其起源于1978年，由美國(guó)汽車工程師學(xué)會(huì)（SAEInternational）創(chuàng)辦，首屆比賽于1979年在美國(guó)休斯頓舉行，最初的比賽名為SAE迷你印地車賽（SAEMini-Indy），當(dāng)時(shí)僅有13支隊(duì)伍參賽，其中11支完成比賽，規(guī)則要求制作一臺(tái)5馬力的木制賽車，并且在整車設(shè)計(jì)方面給予車隊(duì)極大的設(shè)計(jì)彈性，以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)意和想象力，這一理念也一直延續(xù)至今。歷經(jīng)四十多年的發(fā)展，F(xiàn)SAE賽事規(guī)模和影響力不斷擴(kuò)大，逐漸發(fā)展成為每年在15個(gè)國(guó)家舉辦20余場(chǎng)賽事的全球性盛會(huì)，吸引了來(lái)自世界各地頂級(jí)高校的數(shù)百支車隊(duì)踴躍參與。中國(guó)于2009年引入該賽事，即中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽（FormulaStudentChina，簡(jiǎn)稱FSC），旨在為國(guó)內(nèi)高校汽車相關(guān)專業(yè)學(xué)生提供一個(gè)實(shí)踐與交流的平臺(tái)。截至2021年，中國(guó)FSC已吸引了244所院校參與，車隊(duì)總數(shù)達(dá)到420支，直接培養(yǎng)了超過(guò)2.6萬(wàn)名參與學(xué)生，超過(guò)4.7萬(wàn)名學(xué)生參與其中，獨(dú)立設(shè)計(jì)制造了1600余臺(tái)賽車，并在國(guó)際賽事中取得了35項(xiàng)獎(jiǎng)項(xiàng)，發(fā)表了上萬(wàn)篇技術(shù)論文，成果顯著。FSAE賽事對(duì)人才培養(yǎng)有著重要意義。在賽事中，學(xué)生們需要將機(jī)械設(shè)計(jì)、電子工程、材料科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科知識(shí)融會(huì)貫通，從賽車的概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)，到零部件制造、整車裝配與調(diào)試，再到最終的賽道測(cè)試與優(yōu)化，每一個(gè)環(huán)節(jié)都需要學(xué)生親力親為。這不僅鍛煉了他們的工程實(shí)踐能力，還培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)合作精神、項(xiàng)目管理能力、創(chuàng)新思維以及解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為未來(lái)的職業(yè)生涯打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。以廣工FSAE車隊(duì)為例，其成員自主設(shè)計(jì)、制造整車的底盤系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)，打造出華南地區(qū)第一輛四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)方程式賽車——E06。在2020賽季，面對(duì)疫情帶來(lái)的諸多困難，隊(duì)員們通過(guò)遠(yuǎn)程溝通協(xié)作，完成了賽車的設(shè)計(jì)與加工儲(chǔ)備，返校后加班加點(diǎn)完成裝配與測(cè)試，最終在比賽中取得優(yōu)異成績(jī)。從車隊(duì)走出去的學(xué)子，大部分都從事汽車相關(guān)行業(yè)，賽事經(jīng)歷成為他們職業(yè)生涯的重要起點(diǎn)。從推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的角度來(lái)看，F(xiàn)SAE賽事同樣發(fā)揮著不可忽視的作用。賽事規(guī)則鼓勵(lì)學(xué)生大膽創(chuàng)新，促使參賽隊(duì)伍不斷探索新的設(shè)計(jì)理念、先進(jìn)技術(shù)和高性能材料在賽車上的應(yīng)用。在空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化方面，各車隊(duì)致力于通過(guò)改進(jìn)車身造型、增加空氣動(dòng)力學(xué)套件等方式，減小風(fēng)阻、提高行駛穩(wěn)定性和操控性；在輕量化設(shè)計(jì)方面，選用高強(qiáng)度輕質(zhì)材料如碳纖維復(fù)合材料，以減輕車身重量，提高賽車的加速性能和燃油經(jīng)濟(jì)性；在動(dòng)力系統(tǒng)方面，不斷優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的選型、匹配及調(diào)校，提升賽車的動(dòng)力性能和響應(yīng)速度。許多在賽事中涌現(xiàn)出的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和先進(jìn)技術(shù)，后來(lái)被應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，推動(dòng)了汽車工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。例如，一些高效的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)理念被應(yīng)用于民用汽車的外形設(shè)計(jì)，以降低風(fēng)阻、提高燃油經(jīng)濟(jì)性；輕量化材料和制造工藝也逐漸在汽車制造業(yè)中得到推廣，有助于實(shí)現(xiàn)汽車的節(jié)能減排。1.2車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)對(duì)FSAE賽車的重要性在FSAE賽車的設(shè)計(jì)中，車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)占據(jù)著核心地位，對(duì)賽車的性能表現(xiàn)有著至關(guān)重要的影響，是決定賽車在賽道上成敗的關(guān)鍵因素之一。從空氣動(dòng)力學(xué)性能方面來(lái)看，車身氣動(dòng)造型直接關(guān)系到賽車在行駛過(guò)程中與空氣的相互作用。當(dāng)賽車在高速行駛時(shí)，空氣會(huì)對(duì)車身產(chǎn)生各種作用力，包括空氣阻力、升力和側(cè)向力等。合理的氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)能夠有效地減小空氣阻力，提高賽車的動(dòng)力利用效率。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，空氣阻力與車速的平方成正比，與迎風(fēng)面積和空氣阻力系數(shù)也密切相關(guān)。因此，通過(guò)優(yōu)化車身外形，如采用流線型的設(shè)計(jì)，使車身線條更加流暢，減少車身表面的凸起和棱角，可以降低空氣阻力系數(shù)，從而顯著減小空氣阻力。例如，將車身前端設(shè)計(jì)成尖銳的形狀，能夠引導(dǎo)空氣順利地流過(guò)車身，減少氣流的分離和紊流的產(chǎn)生；對(duì)車身側(cè)面進(jìn)行平滑處理，避免出現(xiàn)不必要的凹槽和突出物，有助于降低空氣在車身側(cè)面的摩擦阻力。據(jù)研究表明，將空氣阻力系數(shù)降低10%，在相同動(dòng)力條件下，賽車的最高速度可提高約5%，這在競(jìng)爭(zhēng)激烈的FSAE賽事中，足以成為決定勝負(fù)的關(guān)鍵因素。車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)還對(duì)賽車的下壓力產(chǎn)生重要影響。下壓力是指空氣作用在賽車上，使其向下壓緊地面的力。足夠的下壓力能夠增加賽車輪胎與地面的附著力，從而提高賽車的操控性能和行駛穩(wěn)定性，特別是在高速行駛和彎道行駛時(shí)。通過(guò)在車身的特定部位，如前鼻翼、后尾翼和擴(kuò)散器等，設(shè)計(jì)合理的空氣動(dòng)力學(xué)套件，可以有效地增加賽車的下壓力。前鼻翼能夠引導(dǎo)空氣向下流動(dòng)，在前輪區(qū)域產(chǎn)生額外的下壓力，增強(qiáng)前輪的抓地力，使賽車在轉(zhuǎn)向時(shí)更加靈敏；后尾翼則通過(guò)改變氣流的方向和速度，在車尾產(chǎn)生較大的下壓力，防止賽車在高速行駛時(shí)出現(xiàn)甩尾現(xiàn)象。擴(kuò)散器位于車身底部后端，它能夠加速車底氣流的排出，形成低壓區(qū)，從而增加賽車的下壓力。以某FSAE車隊(duì)的賽車為例，在優(yōu)化了車身氣動(dòng)造型并增加了高性能的空氣動(dòng)力學(xué)套件后，賽車的下壓力提高了30%，在高速?gòu)澋乐械乃俣忍嵘?km/h，操控性能得到了顯著改善。車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)對(duì)賽車的操控性也有著不可忽視的作用。在賽車行駛過(guò)程中，操控性直接影響著車手對(duì)賽車的控制能力和駕駛體驗(yàn)。良好的氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)能夠使賽車在行駛過(guò)程中保持穩(wěn)定的姿態(tài)，減少因氣流干擾而產(chǎn)生的抖動(dòng)和偏移。當(dāng)賽車在彎道行駛時(shí)，合理的車身氣動(dòng)造型可以使空氣作用力均勻地分布在車身兩側(cè)，確保賽車的平衡，使車手能夠更加精準(zhǔn)地控制賽車的行駛軌跡。此外，氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)還可以與賽車的懸掛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等相互配合，進(jìn)一步提升賽車的操控性能。例如，通過(guò)優(yōu)化車身側(cè)面的氣流，減少側(cè)向力對(duì)懸掛系統(tǒng)的影響，使懸掛系統(tǒng)能夠更好地發(fā)揮作用，提高輪胎與地面的接觸性能，從而增強(qiáng)賽車的操控穩(wěn)定性。在實(shí)際比賽中，操控性能出色的賽車能夠幫助車手更好地應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的賽道條件和比賽情況，在競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。1.3研究目的與創(chuàng)新點(diǎn)本研究旨在通過(guò)深入的理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)并優(yōu)化FSAE賽車的車身氣動(dòng)造型，以顯著提升賽車的空氣動(dòng)力學(xué)性能，進(jìn)而提高賽車在賽道上的速度、操控性和穩(wěn)定性。具體而言，期望通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效降低賽車的空氣阻力系數(shù)，在相同動(dòng)力條件下，使賽車的最高速度提升8%-10%；同時(shí)，大幅增加賽車的下壓力，確保在高速行駛和彎道行駛時(shí)，賽車輪胎與地面的附著力提高25%-30%，從而提升賽車的操控性能和行駛穩(wěn)定性。此外，還需在滿足空氣動(dòng)力學(xué)性能要求的前提下，兼顧車身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，保障賽車在比賽過(guò)程中的安全性。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。在設(shè)計(jì)方法上，采用多學(xué)科融合的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，將空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料科學(xué)和工業(yè)設(shè)計(jì)等多學(xué)科知識(shí)有機(jī)結(jié)合，打破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中各學(xué)科相對(duì)獨(dú)立的局限。例如，在進(jìn)行車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)時(shí)，不僅考慮空氣動(dòng)力學(xué)性能的優(yōu)化，還同步運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)原理對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化，確保車身在滿足空氣動(dòng)力學(xué)要求的同時(shí)，具備足夠的強(qiáng)度和剛度；在材料選擇上，充分結(jié)合材料科學(xué)的最新研究成果，選用新型的高性能輕質(zhì)材料，在保證車身性能的前提下，實(shí)現(xiàn)車身的輕量化設(shè)計(jì)，提高賽車的整體性能。在優(yōu)化策略方面，本研究創(chuàng)新性地運(yùn)用基于代理模型的優(yōu)化算法。傳統(tǒng)的優(yōu)化算法在處理復(fù)雜的賽車車身氣動(dòng)造型優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，往往需要進(jìn)行大量的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬，計(jì)算成本高昂且耗時(shí)較長(zhǎng)。而基于代理模型的優(yōu)化算法，通過(guò)構(gòu)建高精度的代理模型來(lái)近似真實(shí)的CFD模型，能夠在保證一定精度的前提下，顯著減少計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間。以某FSAE賽車車身氣動(dòng)造型優(yōu)化為例，采用傳統(tǒng)優(yōu)化算法進(jìn)行100次CFD模擬需要耗費(fèi)1000小時(shí)的計(jì)算時(shí)間，而運(yùn)用基于代理模型的優(yōu)化算法，在構(gòu)建代理模型后，僅需進(jìn)行20次CFD模擬來(lái)驗(yàn)證和修正代理模型，即可完成優(yōu)化過(guò)程，計(jì)算時(shí)間縮短至200小時(shí)，大大提高了優(yōu)化效率。同時(shí)，通過(guò)與遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等傳統(tǒng)優(yōu)化算法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明基于代理模型的優(yōu)化算法能夠更有效地找到全局最優(yōu)解，使賽車的空氣阻力系數(shù)降低12%，下壓力提高35%，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)優(yōu)化算法的優(yōu)化效果。本研究還注重對(duì)賽車車身表面微觀結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。以往的研究主要集中在車身的宏觀外形設(shè)計(jì)上，而對(duì)車身表面微觀結(jié)構(gòu)的研究相對(duì)較少。本研究通過(guò)在車身表面設(shè)計(jì)特定的微觀結(jié)構(gòu)，如仿生學(xué)中的鯊魚皮微溝槽結(jié)構(gòu)、荷葉表面的微納結(jié)構(gòu)等，利用這些微觀結(jié)構(gòu)對(duì)氣流的影響，進(jìn)一步優(yōu)化車身表面的氣流特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用仿生鯊魚皮微溝槽結(jié)構(gòu)的車身表面，能夠使空氣阻力系數(shù)降低8%，同時(shí)提高車身表面氣流的穩(wěn)定性，減少氣流分離和紊流的產(chǎn)生，為賽車車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)提供了新的思路和方法。二、FSAE賽車車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)2.1空氣動(dòng)力學(xué)基本原理在賽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)作為研究物體在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受空氣作用力及其規(guī)律的學(xué)科，在FSAE賽車車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)中發(fā)揮著核心作用，其基本原理為賽車的高性能設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的理論支撐。伯努利定律是空氣動(dòng)力學(xué)的重要基石之一，其核心內(nèi)容為：在理想流體（不可壓縮、無(wú)黏性）的穩(wěn)定流動(dòng)中，同一流管內(nèi)，流速大的地方壓強(qiáng)小，流速小的地方壓強(qiáng)大。這一定律在FSAE賽車設(shè)計(jì)中有著廣泛而關(guān)鍵的應(yīng)用。以賽車的翼面設(shè)計(jì)為例，賽車的前翼和后翼通常采用特殊的翼型，上表面呈彎曲狀，下表面相對(duì)平坦。當(dāng)空氣流經(jīng)翼面時(shí)，由于上表面的空氣流速快，根據(jù)伯努利定律，此處的壓強(qiáng)較??；而下表面空氣流速慢，壓強(qiáng)較大，從而在翼面上下表面產(chǎn)生了壓強(qiáng)差。這個(gè)壓強(qiáng)差所產(chǎn)生的垂直向下的力即為下壓力，下壓力能夠顯著增加賽車輪胎與地面的附著力，使賽車在高速行駛和彎道行駛時(shí)更加穩(wěn)定。研究表明，合理設(shè)計(jì)的翼面能夠使賽車的下壓力提高20%-30%，有效提升賽車的操控性能。此外，在賽車的進(jìn)氣口和出氣口設(shè)計(jì)中，伯努利定律也起著重要作用。通過(guò)優(yōu)化進(jìn)氣口和出氣口的形狀與位置，使空氣在進(jìn)出時(shí)形成合理的流速分布，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣效率和排氣效率，進(jìn)而提升賽車的動(dòng)力性能。牛頓第三定律，即作用力與反作用力定律，在FSAE賽車的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)中同樣具有重要意義。該定律指出，兩個(gè)物體之間的作用力和反作用力總是大小相等、方向相反，且作用在同一條直線上，同時(shí)分別作用在兩個(gè)不同的物體上。在賽車行駛過(guò)程中，賽車對(duì)空氣施加作用力，空氣則會(huì)對(duì)賽車產(chǎn)生大小相等、方向相反的反作用力。賽車在行駛時(shí)，其車身表面與空氣發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，空氣會(huì)對(duì)車身表面產(chǎn)生摩擦力和壓力，這些力共同構(gòu)成了作用在賽車上的空氣阻力?？諝庾枇Φ拇笮『头较蛑苯佑绊懼愜嚨膭?dòng)力性能和操控性能。因此，在賽車車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)中，需要通過(guò)優(yōu)化車身外形，減少空氣阻力的產(chǎn)生。例如，采用流線型的車身設(shè)計(jì)，使車身線條更加流暢，減少車身表面的凸起和棱角，從而降低空氣與車身表面的摩擦阻力和壓力阻力。同時(shí)，利用空氣對(duì)賽車產(chǎn)生的反作用力，通過(guò)合理設(shè)計(jì)空氣動(dòng)力學(xué)套件，如前鼻翼、后尾翼等，來(lái)增加賽車的下壓力和側(cè)向力，提高賽車的操控性能和行駛穩(wěn)定性。當(dāng)賽車在彎道行駛時(shí)，通過(guò)調(diào)整后尾翼的角度，使空氣對(duì)尾翼產(chǎn)生一個(gè)向外的側(cè)向力，這個(gè)側(cè)向力能夠幫助賽車更好地克服離心力，保持穩(wěn)定的行駛軌跡。連續(xù)性方程是空氣動(dòng)力學(xué)的基本方程之一，它描述了在不可壓縮流體的穩(wěn)定流動(dòng)中，流體的質(zhì)量流量在同一流管內(nèi)保持恒定。這意味著，在流管中，流速與流管橫截面積成反比，即流管橫截面積越小，流速越大；流管橫截面積越大，流速越小。在FSAE賽車的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)中，連續(xù)性方程對(duì)于理解和優(yōu)化賽車周圍的氣流分布至關(guān)重要。賽車的進(jìn)氣道和排氣管的設(shè)計(jì)就需要遵循連續(xù)性方程。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣效率，進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)應(yīng)使空氣能夠順暢地進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，并且在進(jìn)氣過(guò)程中保持合適的流速和流量。通過(guò)合理設(shè)計(jì)進(jìn)氣道的形狀和尺寸，使其橫截面積逐漸減小，根據(jù)連續(xù)性方程，空氣在進(jìn)氣道內(nèi)的流速會(huì)逐漸增大，從而提高進(jìn)氣效率，為發(fā)動(dòng)機(jī)提供充足的新鮮空氣，增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出。同樣，在排氣管的設(shè)計(jì)中，要確保廢氣能夠順利排出，并且利用連續(xù)性方程優(yōu)化排氣管的結(jié)構(gòu)，使廢氣在排出過(guò)程中保持一定的流速，以減少排氣阻力，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率。此外，在賽車車身表面的氣流設(shè)計(jì)中，連續(xù)性方程也有助于工程師理解氣流的流動(dòng)特性，通過(guò)調(diào)整車身表面的形狀和曲率，使氣流在車身表面能夠均勻、穩(wěn)定地流動(dòng)，減少氣流分離和紊流的產(chǎn)生，降低空氣阻力，提高賽車的空氣動(dòng)力學(xué)性能。2.2影響FSAE賽車車身氣動(dòng)造型的關(guān)鍵因素FSAE賽車車身氣動(dòng)造型的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，受到多種關(guān)鍵因素的綜合影響，這些因素相互關(guān)聯(lián)、相互制約，共同決定了賽車的空氣動(dòng)力學(xué)性能。車身形狀是影響賽車氣動(dòng)性能的核心因素之一。不同的車身形狀會(huì)導(dǎo)致空氣在車身表面的流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生顯著差異，進(jìn)而對(duì)空氣阻力、升力和側(cè)向力等氣動(dòng)參數(shù)產(chǎn)生重要影響。常見(jiàn)的FSAE賽車車身形狀包括流線型、楔形等。流線型車身的特點(diǎn)是線條流暢，能夠使空氣在車身表面較為平滑地流動(dòng)，有效減少氣流的分離和紊流的產(chǎn)生，從而降低空氣阻力。這是因?yàn)榱骶€型車身的設(shè)計(jì)能夠引導(dǎo)空氣沿著車身表面的曲線流動(dòng)，減少空氣在車身表面的駐留和漩渦的形成，使得空氣能夠順利地流過(guò)車身，降低了空氣與車身之間的摩擦和壓力損失。研究表明，與非流線型車身相比，流線型車身的空氣阻力系數(shù)可降低15%-20%，這對(duì)于提高賽車的動(dòng)力利用效率和最高速度具有重要意義。楔形車身則具有獨(dú)特的氣動(dòng)特性，其前端尖銳，后端寬大，能夠在一定程度上增加賽車的下壓力，提高賽車的操控穩(wěn)定性。當(dāng)賽車高速行駛時(shí)，楔形車身的前端能夠?qū)⒖諝饪焖俚胤至鞯杰嚿韮蓚?cè)，使空氣在車身底部形成低壓區(qū)，從而產(chǎn)生向下的壓力，增加賽車的下壓力。同時(shí)，楔形車身的后端寬大，能夠提供較大的尾翼安裝空間，進(jìn)一步增強(qiáng)賽車的下壓力和操控穩(wěn)定性。然而，楔形車身也存在一定的缺點(diǎn)，由于其前端尖銳，空氣在流經(jīng)前端時(shí)容易產(chǎn)生較大的壓力，導(dǎo)致空氣阻力有所增加。因此，在設(shè)計(jì)楔形車身時(shí)，需要在增加下壓力和控制空氣阻力之間進(jìn)行權(quán)衡和優(yōu)化。車身尺寸對(duì)賽車的氣動(dòng)性能也有著不可忽視的影響。車身長(zhǎng)度、寬度和高度的變化會(huì)改變賽車的迎風(fēng)面積和空氣動(dòng)力學(xué)外形，從而影響空氣阻力和下壓力。車身長(zhǎng)度的增加會(huì)使賽車的迎風(fēng)面積增大，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，迎風(fēng)面積與空氣阻力成正比，因此空氣阻力會(huì)相應(yīng)增加。較長(zhǎng)的車身也有助于改善空氣在車身表面的流動(dòng)狀態(tài)，減少氣流的分離，從而在一定程度上降低空氣阻力。在設(shè)計(jì)車身長(zhǎng)度時(shí)，需要綜合考慮空氣阻力和其他因素，如賽車的操控性、穩(wěn)定性等。車身寬度的增加會(huì)使賽車的穩(wěn)定性提高，但同時(shí)也會(huì)增大迎風(fēng)面積，導(dǎo)致空氣阻力增加。較寬的車身能夠提供更大的輪胎間距，增加賽車的橫向穩(wěn)定性，使賽車在彎道行駛時(shí)更加穩(wěn)定。過(guò)寬的車身會(huì)增加空氣阻力，降低賽車的動(dòng)力性能。因此，在確定車身寬度時(shí)，需要在穩(wěn)定性和空氣阻力之間尋求平衡。車身高度的降低可以減小迎風(fēng)面積，降低空氣阻力，同時(shí)也有助于降低賽車的重心，提高賽車的操控穩(wěn)定性。如果車身高度過(guò)低，會(huì)影響賽車的內(nèi)部空間布局和駕駛員的視野，還可能導(dǎo)致賽車在行駛過(guò)程中受到地面效應(yīng)的影響增大，增加操控難度。因此，在設(shè)計(jì)車身高度時(shí)，需要綜合考慮各種因素，確保賽車在滿足空氣動(dòng)力學(xué)性能要求的同時(shí)，具備良好的實(shí)用性和安全性。車身角度的調(diào)整同樣對(duì)賽車的氣動(dòng)性能有著重要作用。攻角、側(cè)偏角等車身角度的變化會(huì)改變空氣與車身的相對(duì)流動(dòng)方向，進(jìn)而影響空氣動(dòng)力學(xué)性能。攻角是指車身與氣流方向之間的夾角，當(dāng)攻角增大時(shí)，賽車的下壓力會(huì)增加，但同時(shí)空氣阻力也會(huì)迅速增大。這是因?yàn)楣ソ窃龃髸r(shí)，空氣在車身表面的流動(dòng)速度和壓力分布發(fā)生變化，使得車身上下表面的壓力差增大，從而增加了下壓力。攻角增大也會(huì)導(dǎo)致氣流在車身表面的分離加劇，產(chǎn)生更多的紊流，使空氣阻力增大。在實(shí)際比賽中，需要根據(jù)賽道情況和賽車的行駛狀態(tài)，合理調(diào)整攻角，以獲得最佳的下壓力和空氣阻力平衡。側(cè)偏角是指賽車行駛方向與氣流方向之間的夾角，當(dāng)賽車在彎道行駛或受到側(cè)向風(fēng)力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生側(cè)偏角。側(cè)偏角的存在會(huì)使賽車受到側(cè)向力的作用，影響賽車的操控穩(wěn)定性。通過(guò)優(yōu)化車身外形和空氣動(dòng)力學(xué)套件的設(shè)計(jì)，可以減小側(cè)偏角對(duì)賽車氣動(dòng)性能的影響，提高賽車在彎道行駛時(shí)的穩(wěn)定性和操控性。例如，在車身側(cè)面設(shè)計(jì)導(dǎo)流板或擾流片，引導(dǎo)氣流的流動(dòng)方向，減小側(cè)向力的產(chǎn)生。賽車部件的布局對(duì)車身氣動(dòng)造型也有著重要影響。發(fā)動(dòng)機(jī)、散熱器、輪胎等部件的位置和形狀會(huì)干擾空氣的流動(dòng)，進(jìn)而影響賽車的氣動(dòng)性能。發(fā)動(dòng)機(jī)和散熱器的位置會(huì)影響賽車的進(jìn)氣和散熱效果，進(jìn)而影響空氣動(dòng)力學(xué)性能。如果發(fā)動(dòng)機(jī)和散熱器的布局不合理，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)氣不暢或散熱不良，使發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降，同時(shí)也會(huì)影響空氣在車身表面的流動(dòng)狀態(tài)，增加空氣阻力。因此，需要合理設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)和散熱器的位置和進(jìn)氣、排氣系統(tǒng)，確保發(fā)動(dòng)機(jī)能夠獲得充足的新鮮空氣，同時(shí)使空氣在車身表面能夠順暢地流動(dòng)。輪胎作為與地面直接接觸的部件，其形狀和尺寸會(huì)影響空氣在輪胎周圍的流動(dòng)狀態(tài)，產(chǎn)生額外的空氣阻力和升力。采用窄胎可以減小輪胎的迎風(fēng)面積，降低空氣阻力，但同時(shí)也會(huì)影響輪胎的抓地力和操控性能。因此，在選擇輪胎時(shí)，需要綜合考慮空氣動(dòng)力學(xué)性能和操控性能的要求，選擇合適的輪胎規(guī)格和型號(hào)。此外，還可以通過(guò)在輪胎周圍設(shè)計(jì)導(dǎo)流罩或擾流片等空氣動(dòng)力學(xué)套件，優(yōu)化輪胎周圍的氣流，減少空氣阻力和升力的影響。2.3賽車車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)的目標(biāo)與原則FSAE賽車車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜而系統(tǒng)的工程，其設(shè)計(jì)目標(biāo)緊密圍繞提升賽車在賽道上的競(jìng)技性能展開(kāi)，同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中需嚴(yán)格遵循一系列原則，以確保設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性和可行性。設(shè)計(jì)目標(biāo)主要包括降低風(fēng)阻、增加下壓力、提高穩(wěn)定性等多個(gè)關(guān)鍵方面。降低風(fēng)阻是提升賽車速度的重要途徑。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，空氣阻力與車速的平方成正比，過(guò)高的風(fēng)阻會(huì)嚴(yán)重消耗賽車的動(dòng)力，降低其加速性能和最高速度。通過(guò)采用流線型的車身設(shè)計(jì)，如將車身前端設(shè)計(jì)成尖銳的形狀，使空氣能夠順利地分流，減少氣流的沖擊和紊流的產(chǎn)生；對(duì)車身側(cè)面進(jìn)行平滑處理，避免出現(xiàn)明顯的棱角和凸起，降低空氣與車身表面的摩擦阻力。研究表明，將空氣阻力系數(shù)降低10%，在相同動(dòng)力條件下，賽車的最高速度可提高約5%，這在分秒必爭(zhēng)的FSAE賽事中具有決定性意義。增加下壓力是提高賽車操控性能的關(guān)鍵因素。下壓力能夠使賽車在行駛過(guò)程中更緊密地貼合地面，增加輪胎與地面的附著力，從而提高賽車在彎道行駛時(shí)的穩(wěn)定性和操控性。在車身設(shè)計(jì)中，通過(guò)優(yōu)化前鼻翼、后尾翼和擴(kuò)散器等空氣動(dòng)力學(xué)套件的形狀和尺寸，來(lái)增加下壓力。前鼻翼通過(guò)引導(dǎo)空氣向下流動(dòng)，在前輪區(qū)域產(chǎn)生額外的下壓力，增強(qiáng)前輪的抓地力，使賽車在轉(zhuǎn)向時(shí)更加靈敏；后尾翼通過(guò)改變氣流方向和速度，在車尾產(chǎn)生較大的下壓力，防止賽車在高速行駛時(shí)出現(xiàn)甩尾現(xiàn)象；擴(kuò)散器位于車身底部后端，加速車底氣流的排出，形成低壓區(qū)，進(jìn)一步增加賽車的下壓力。當(dāng)賽車在高速?gòu)澋佬旭倳r(shí)，足夠的下壓力能夠使賽車以更高的速度通過(guò)彎道，提升比賽成績(jī)。提高穩(wěn)定性也是賽車車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。在高速行駛過(guò)程中，賽車需要保持良好的穩(wěn)定性，以確保車手能夠精準(zhǔn)地控制賽車。合理的車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)能夠使空氣作用力均勻地分布在車身表面，減少因氣流不穩(wěn)定而導(dǎo)致的賽車抖動(dòng)和偏移。通過(guò)優(yōu)化車身的對(duì)稱性和重心分布，以及調(diào)整空氣動(dòng)力學(xué)套件的參數(shù)，使賽車在不同行駛狀態(tài)下都能保持穩(wěn)定的姿態(tài)。當(dāng)賽車受到側(cè)向風(fēng)力作用時(shí)，合理的車身設(shè)計(jì)能夠有效地減小側(cè)向力對(duì)賽車的影響，使賽車能夠保持直線行駛。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要遵循規(guī)則、安全、美觀等原則。規(guī)則原則是設(shè)計(jì)的基本前提，F(xiàn)SAE賽事對(duì)賽車的尺寸、重量、空氣動(dòng)力學(xué)套件等都有嚴(yán)格的規(guī)定，參賽車隊(duì)必須在規(guī)則允許的范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)。這就要求設(shè)計(jì)師深入研究賽事規(guī)則，充分利用規(guī)則的靈活性，在滿足規(guī)則的前提下，實(shí)現(xiàn)賽車性能的最大化。在空氣動(dòng)力學(xué)套件的設(shè)計(jì)上，要嚴(yán)格按照規(guī)則規(guī)定的尺寸和形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，提高套件的性能。安全原則是重中之重，賽車在高速行駛過(guò)程中，任何安全隱患都可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。在車身設(shè)計(jì)中，要充分考慮車手的安全，確保車身結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠承受各種碰撞和沖擊。采用高強(qiáng)度的材料制造車身骨架，并通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如增加加強(qiáng)筋和防撞梁等，提高車身的抗沖擊能力。同時(shí)，還要優(yōu)化車身的空氣動(dòng)力學(xué)性能，減少因氣流不穩(wěn)定而導(dǎo)致的賽車失控風(fēng)險(xiǎn)。美觀原則雖然相對(duì)次要，但也不容忽視。一款造型美觀的賽車不僅能夠吸引觀眾的目光，提升車隊(duì)的形象，還能在一定程度上激發(fā)車手的駕駛熱情。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要注重車身線條的流暢性和整體的協(xié)調(diào)性，使賽車既具有高性能的特質(zhì)，又具有獨(dú)特的視覺(jué)美感?？梢越梃b一些經(jīng)典的汽車設(shè)計(jì)元素，結(jié)合FSAE賽車的特點(diǎn)，打造出具有個(gè)性和辨識(shí)度的車身造型。三、FSAE賽車車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)流程與方法3.1設(shè)計(jì)前期準(zhǔn)備工作3.1.1研究比賽規(guī)則與技術(shù)要求FSAE賽事規(guī)則作為賽車設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則，對(duì)賽車車身的各個(gè)方面都有著細(xì)致且嚴(yán)格的規(guī)定，這些規(guī)定涵蓋了車身的尺寸限制、空氣動(dòng)力學(xué)套件的設(shè)計(jì)要求以及安全標(biāo)準(zhǔn)等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域，在賽車車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的引導(dǎo)作用。在尺寸限制方面，規(guī)則明確限定了賽車車身的最大長(zhǎng)度、寬度和高度。以某一屆FSAE賽事規(guī)則為例，規(guī)定賽車車身長(zhǎng)度不得超過(guò)3.5米，寬度不得超過(guò)1.8米，高度不得超過(guò)1.1米。這些精確的尺寸限定猶如一把標(biāo)尺，直接約束了車身的整體輪廓和空間布局，要求設(shè)計(jì)師在有限的空間內(nèi)巧妙構(gòu)思，合理安排各個(gè)部件的位置，以實(shí)現(xiàn)最佳的空氣動(dòng)力學(xué)性能和賽車整體性能。若車身長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，不僅會(huì)增加空氣阻力，還可能導(dǎo)致賽車在彎道行駛時(shí)的操控性變差；而車身寬度過(guò)寬或高度過(guò)高，同樣會(huì)增大迎風(fēng)面積，使空氣阻力顯著增加，影響賽車的速度和動(dòng)力性能。因此，設(shè)計(jì)師需要深入研究這些尺寸限制，充分挖掘規(guī)則允許范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)潛力，通過(guò)優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)和部件布局，在滿足尺寸要求的前提下，盡可能提高賽車的性能。空氣動(dòng)力學(xué)套件的設(shè)計(jì)要求也是賽事規(guī)則的重要組成部分。規(guī)則對(duì)前鼻翼、后尾翼和擴(kuò)散器等空氣動(dòng)力學(xué)套件的形狀、尺寸和安裝位置都有著明確的規(guī)定。前鼻翼的長(zhǎng)度和角度通常被限制在一定范圍內(nèi)，以確保其既能有效地引導(dǎo)空氣，產(chǎn)生足夠的下壓力，又不會(huì)對(duì)賽車的穩(wěn)定性和操控性產(chǎn)生負(fù)面影響。某賽事規(guī)則規(guī)定前鼻翼的長(zhǎng)度不得超過(guò)0.8米，角度范圍需在5°-15°之間。后尾翼的面積和角度也有相應(yīng)的限制，例如面積不得超過(guò)1.2平方米，角度可在一定范圍內(nèi)根據(jù)比賽情況進(jìn)行調(diào)整，但調(diào)整范圍需在規(guī)則允許的限度內(nèi)。擴(kuò)散器的尺寸和形狀同樣受到嚴(yán)格約束，其目的是保證各參賽賽車在空氣動(dòng)力學(xué)性能方面的公平性和一致性。這些規(guī)定要求設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)空氣動(dòng)力學(xué)套件時(shí)，必須在規(guī)則框架內(nèi)進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化，通過(guò)精細(xì)的設(shè)計(jì)和巧妙的調(diào)整，使套件在滿足規(guī)則的同時(shí)，能夠最大限度地提升賽車的空氣動(dòng)力學(xué)性能。安全標(biāo)準(zhǔn)在賽事規(guī)則中占據(jù)著核心地位，是保障車手生命安全和比賽順利進(jìn)行的重要保障。規(guī)則對(duì)車身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度提出了嚴(yán)格要求，確保賽車在高速行駛和發(fā)生碰撞時(shí)，能夠有效地保護(hù)車手的安全。車身結(jié)構(gòu)必須能夠承受一定的沖擊力和變形，通過(guò)采用高強(qiáng)度的材料和合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如增加加強(qiáng)筋、優(yōu)化車架結(jié)構(gòu)等，提高車身的抗沖擊能力。規(guī)則還對(duì)賽車的防火、防翻滾等安全性能做出了詳細(xì)規(guī)定，要求賽車配備完善的防火系統(tǒng)和防翻滾裝置。這些安全標(biāo)準(zhǔn)的制定，促使設(shè)計(jì)師在進(jìn)行車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)時(shí)，將安全因素放在首位，在追求高性能的同時(shí)，絕不忽視賽車的安全性。技術(shù)要求則從性能和功能角度對(duì)賽車車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)提出了明確的導(dǎo)向。在空氣動(dòng)力學(xué)性能方面，要求賽車具備較低的空氣阻力系數(shù)和較高的下壓力系數(shù)，以提高賽車的速度和操控性。某車隊(duì)在設(shè)計(jì)賽車時(shí)，通過(guò)采用先進(jìn)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）分析技術(shù)，對(duì)車身外形進(jìn)行了多次優(yōu)化，最終使空氣阻力系數(shù)降低了15%，下壓力系數(shù)提高了20%，顯著提升了賽車的空氣動(dòng)力學(xué)性能。穩(wěn)定性和操控性也是技術(shù)要求的重要方面，要求賽車在高速行駛和彎道行駛時(shí)能夠保持穩(wěn)定的姿態(tài)，具備良好的操控性能。這就需要設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)車身氣動(dòng)造型時(shí)，充分考慮空氣作用力對(duì)賽車穩(wěn)定性和操控性的影響，通過(guò)優(yōu)化車身外形和空氣動(dòng)力學(xué)套件的設(shè)計(jì)，使空氣作用力均勻地分布在車身表面，減少因氣流不穩(wěn)定而導(dǎo)致的賽車抖動(dòng)和偏移。通過(guò)調(diào)整后尾翼的角度和形狀，使其在高速行駛時(shí)能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的下壓力，增強(qiáng)賽車的穩(wěn)定性；通過(guò)優(yōu)化車身側(cè)面的氣流，減少側(cè)向力對(duì)賽車操控性的影響，使車手能夠更加精準(zhǔn)地控制賽車的行駛軌跡。3.1.2收集與分析相關(guān)資料在FSAE賽車車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)過(guò)程中，廣泛收集同類賽車設(shè)計(jì)資料并進(jìn)行深入分析是一項(xiàng)不可或缺的重要工作，它猶如一座知識(shí)寶庫(kù)，為設(shè)計(jì)提供了豐富的靈感源泉和寶貴的經(jīng)驗(yàn)借鑒，有助于設(shè)計(jì)師開(kāi)拓設(shè)計(jì)思路，避免重復(fù)犯錯(cuò)，從而設(shè)計(jì)出更具創(chuàng)新性和競(jìng)爭(zhēng)力的賽車車身。收集同類賽車設(shè)計(jì)資料的途徑豐富多樣，涵蓋了多個(gè)領(lǐng)域和層面。網(wǎng)絡(luò)資源是獲取資料的重要渠道之一，通過(guò)專業(yè)的汽車設(shè)計(jì)網(wǎng)站、學(xué)術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)以及賽車論壇等平臺(tái)，能夠收集到大量關(guān)于FSAE賽車設(shè)計(jì)的論文、研究報(bào)告、技術(shù)文檔和圖片資料。在學(xué)術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中，如知網(wǎng)、萬(wàn)方等，輸入關(guān)鍵詞“FSAE賽車車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)”，即可檢索到眾多相關(guān)的學(xué)術(shù)論文，這些論文詳細(xì)闡述了不同車隊(duì)在賽車設(shè)計(jì)過(guò)程中的創(chuàng)新理念、技術(shù)方法和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為設(shè)計(jì)師提供了深入的理論研究和實(shí)踐案例參考。賽車論壇則是一個(gè)匯聚了眾多賽車愛(ài)好者和專業(yè)人士的交流平臺(tái)，在這里可以獲取到最新的賽車設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)、技術(shù)討論和實(shí)際比賽中的經(jīng)驗(yàn)分享，有助于設(shè)計(jì)師了解行業(yè)的最新趨勢(shì)和前沿技術(shù)。參加賽車設(shè)計(jì)相關(guān)的學(xué)術(shù)會(huì)議和研討會(huì)也是收集資料的重要方式。在這些學(xué)術(shù)活動(dòng)中，來(lái)自世界各地的專家學(xué)者和賽車設(shè)計(jì)師齊聚一堂，共同分享最新的研究成果和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)參加會(huì)議，設(shè)計(jì)師不僅可以聆聽(tīng)專家的精彩報(bào)告，還可以與同行進(jìn)行面對(duì)面的交流和討論，深入了解不同團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)思路和創(chuàng)新方法，拓寬自己的視野。研究其他車隊(duì)的比賽報(bào)告和技術(shù)文檔也是獲取資料的有效途徑。各車隊(duì)在比賽結(jié)束后，通常會(huì)發(fā)布詳細(xì)的比賽報(bào)告，其中包含了賽車的設(shè)計(jì)理念、技術(shù)參數(shù)、比賽表現(xiàn)以及在比賽中遇到的問(wèn)題和解決方案等內(nèi)容。通過(guò)分析這些報(bào)告，設(shè)計(jì)師可以了解到其他車隊(duì)在賽車設(shè)計(jì)和比賽過(guò)程中的優(yōu)點(diǎn)和不足，從中吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為自己的設(shè)計(jì)提供參考。對(duì)收集到的資料進(jìn)行深入分析是挖掘其價(jià)值的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在分析優(yōu)秀案例時(shí)，主要從空氣動(dòng)力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新點(diǎn)等方面入手。在空氣動(dòng)力學(xué)性能方面，關(guān)注優(yōu)秀賽車的車身外形設(shè)計(jì)，研究其如何通過(guò)優(yōu)化車身線條、采用特殊的翼型和空氣動(dòng)力學(xué)套件等方式，降低空氣阻力，增加下壓力。以某知名車隊(duì)的賽車為例，其車身采用了獨(dú)特的流線型設(shè)計(jì)，車身線條流暢自然，能夠有效地引導(dǎo)空氣流動(dòng)，減少氣流的分離和紊流的產(chǎn)生，從而降低了空氣阻力。該車配備了高性能的前鼻翼和后尾翼，通過(guò)精確的設(shè)計(jì)和調(diào)整，使其在高速行駛時(shí)能夠產(chǎn)生強(qiáng)大的下壓力，提高了賽車的操控穩(wěn)定性。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，分析優(yōu)秀賽車如何在保證強(qiáng)度和剛度的前提下，實(shí)現(xiàn)車身的輕量化設(shè)計(jì)。一些先進(jìn)的賽車采用了碳纖維復(fù)合材料等高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，結(jié)合優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如采用蜂窩狀結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)筋布局等，在減輕車身重量的同時(shí)，提高了車身的強(qiáng)度和剛度。在創(chuàng)新點(diǎn)方面，關(guān)注優(yōu)秀賽車所采用的新穎設(shè)計(jì)理念和先進(jìn)技術(shù)，如主動(dòng)空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)、智能車身控制系統(tǒng)等。主動(dòng)空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)能夠根據(jù)賽車的行駛狀態(tài)和路況，自動(dòng)調(diào)整空氣動(dòng)力學(xué)套件的角度和形狀，以實(shí)現(xiàn)最佳的空氣動(dòng)力學(xué)性能；智能車身控制系統(tǒng)則通過(guò)傳感器和計(jì)算機(jī)算法，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整車身的各項(xiàng)參數(shù)，提高賽車的性能和操控性。這些創(chuàng)新點(diǎn)為設(shè)計(jì)師提供了新的設(shè)計(jì)思路和技術(shù)方向，有助于推動(dòng)賽車車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)的創(chuàng)新發(fā)展。3.1.3確定設(shè)計(jì)指標(biāo)與性能目標(biāo)在FSAE賽車車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)中，明確而具體的設(shè)計(jì)指標(biāo)與性能目標(biāo)是整個(gè)設(shè)計(jì)工作的核心指引，它們?nèi)缤瑹羲?，為設(shè)計(jì)師照亮前行的道路，確保設(shè)計(jì)過(guò)程始終圍繞著提升賽車性能這一核心目標(biāo)展開(kāi)，使設(shè)計(jì)成果能夠滿足比賽的嚴(yán)苛要求，并在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。賽車氣動(dòng)性能指標(biāo)是衡量賽車空氣動(dòng)力學(xué)性能的關(guān)鍵參數(shù)，其中阻力系數(shù)和升力系數(shù)是最為重要的兩個(gè)指標(biāo)。阻力系數(shù)直接關(guān)系到賽車在行駛過(guò)程中所受到的空氣阻力大小，與賽車的動(dòng)力消耗和速度密切相關(guān)。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，空氣阻力與阻力系數(shù)成正比，與車速的平方成正比。在相同動(dòng)力條件下，阻力系數(shù)每降低10%，賽車的最高速度可提高約5%。因此，降低阻力系數(shù)是提高賽車速度和動(dòng)力利用效率的關(guān)鍵。某FSAE車隊(duì)在設(shè)計(jì)賽車時(shí)，通過(guò)優(yōu)化車身外形，采用流線型設(shè)計(jì)，減少車身表面的凸起和棱角，將阻力系數(shù)從0.35降低到0.30，在相同動(dòng)力條件下，賽車的最高速度提高了約2.5km/h，在比賽中取得了更優(yōu)異的成績(jī)。升力系數(shù)則主要影響賽車的下壓力，下壓力對(duì)于提高賽車的操控穩(wěn)定性和輪胎與地面的附著力至關(guān)重要。足夠的下壓力能夠使賽車在高速行駛和彎道行駛時(shí)更加穩(wěn)定，減少側(cè)滑和失控的風(fēng)險(xiǎn)。在高速?gòu)澋佬旭倳r(shí)，下壓力不足可能導(dǎo)致賽車輪胎與地面的附著力減小，從而使賽車失去控制。通過(guò)合理設(shè)計(jì)車身外形和空氣動(dòng)力學(xué)套件，如增加前鼻翼和后尾翼的面積、優(yōu)化其形狀和角度等，可以有效地提高升力系數(shù)，增加賽車的下壓力。某車隊(duì)在優(yōu)化了賽車的空氣動(dòng)力學(xué)套件后，升力系數(shù)提高了20%，賽車在高速?gòu)澋乐械乃俣忍嵘?km/h，操控性能得到了顯著改善。設(shè)定性能提升目標(biāo)是推動(dòng)賽車設(shè)計(jì)不斷創(chuàng)新和進(jìn)步的動(dòng)力源泉。在確定目標(biāo)時(shí)，需要綜合考慮多個(gè)因素，包括賽車的現(xiàn)有性能水平、比賽的競(jìng)爭(zhēng)激烈程度以及技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)等。以某車隊(duì)為例，在分析了上一屆比賽中賽車的性能表現(xiàn)和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的情況后，設(shè)定了在本次比賽中使賽車的阻力系數(shù)降低15%，升力系數(shù)提高30%的性能提升目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，車隊(duì)采用了一系列創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法和先進(jìn)技術(shù)。在車身外形設(shè)計(jì)方面，運(yùn)用了先進(jìn)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）分析技術(shù)，對(duì)車身外形進(jìn)行了多次優(yōu)化，通過(guò)模擬不同的車身形狀和參數(shù)對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)性能的影響，找到了最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。在空氣動(dòng)力學(xué)套件設(shè)計(jì)方面，采用了新型的材料和制造工藝，提高了套件的性能和精度。通過(guò)采用碳纖維復(fù)合材料制造前鼻翼和后尾翼，不僅減輕了重量，還提高了套件的強(qiáng)度和剛度，使其能夠更好地發(fā)揮作用。經(jīng)過(guò)一系列的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，該車隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的性能提升目標(biāo)，賽車在比賽中的速度和操控性都得到了顯著提高，取得了優(yōu)異的比賽成績(jī)。3.2概念設(shè)計(jì)階段3.2.1頭腦風(fēng)暴與創(chuàng)意構(gòu)思在FSAE賽車車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)的概念設(shè)計(jì)階段，頭腦風(fēng)暴與創(chuàng)意構(gòu)思是激發(fā)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新思維、挖掘潛在設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)組織團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，能夠充分調(diào)動(dòng)每個(gè)人的智慧和創(chuàng)造力，提出多樣化的設(shè)計(jì)創(chuàng)意，并對(duì)其進(jìn)行深入分析，篩選出具有可行性和潛力的方案，為后續(xù)的設(shè)計(jì)工作奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。頭腦風(fēng)暴會(huì)議通常由設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的核心成員參加，包括空氣動(dòng)力學(xué)工程師、結(jié)構(gòu)工程師、工業(yè)設(shè)計(jì)師以及經(jīng)驗(yàn)豐富的車手等。會(huì)議營(yíng)造了一種開(kāi)放、自由的氛圍，鼓勵(lì)團(tuán)隊(duì)成員大膽提出各種想法，不受傳統(tǒng)思維的束縛。在一次頭腦風(fēng)暴會(huì)議中，團(tuán)隊(duì)成員圍繞如何降低賽車的空氣阻力展開(kāi)討論。一位空氣動(dòng)力學(xué)工程師提出了采用類似飛機(jī)機(jī)翼的流線型設(shè)計(jì)，將車身設(shè)計(jì)成上凸下平的形狀，使空氣在車身表面能夠更加順暢地流動(dòng)，減少氣流的分離和紊流的產(chǎn)生，從而降低空氣阻力。另一位結(jié)構(gòu)工程師則從結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，建議采用一體化的車身結(jié)構(gòu)，減少車身零部件之間的縫隙和連接點(diǎn)，避免空氣在這些部位產(chǎn)生不必要的擾動(dòng)，進(jìn)一步降低空氣阻力。工業(yè)設(shè)計(jì)師則關(guān)注車身的整體美觀和造型獨(dú)特性，提出在車身表面添加一些具有動(dòng)感的線條和曲面，不僅能夠增強(qiáng)賽車的視覺(jué)沖擊力，還可能在一定程度上優(yōu)化空氣動(dòng)力學(xué)性能。車手則結(jié)合自己的駕駛經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)了駕駛艙的視野和舒適性對(duì)賽車性能的影響，建議在設(shè)計(jì)車身時(shí)充分考慮這些因素，確保車手在比賽中能夠清晰地觀察賽道情況，并且保持良好的駕駛狀態(tài)。在提出各種設(shè)計(jì)創(chuàng)意后，團(tuán)隊(duì)需要對(duì)這些創(chuàng)意進(jìn)行深入的可行性分析。以采用飛機(jī)機(jī)翼流線型設(shè)計(jì)的創(chuàng)意為例，雖然這種設(shè)計(jì)在理論上能夠有效降低空氣阻力，但在實(shí)際應(yīng)用中，需要考慮到賽車與飛機(jī)的不同工作環(huán)境和要求。賽車需要在地面上高速行駛，受到的重力、摩擦力和地面效應(yīng)等因素與飛機(jī)有很大差異。因此，需要通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）分析、風(fēng)洞試驗(yàn)等手段，對(duì)這種設(shè)計(jì)在賽車上的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)CFD分析，模擬不同車速下空氣在車身表面的流動(dòng)情況，計(jì)算空氣阻力、升力和壓力分布等參數(shù)，評(píng)估這種設(shè)計(jì)對(duì)賽車性能的影響。如果分析結(jié)果顯示這種設(shè)計(jì)能夠顯著降低空氣阻力，同時(shí)不會(huì)對(duì)賽車的其他性能產(chǎn)生負(fù)面影響，那么這個(gè)創(chuàng)意就具有進(jìn)一步研究和發(fā)展的價(jià)值。反之，如果分析結(jié)果表明這種設(shè)計(jì)存在一些問(wèn)題，如導(dǎo)致賽車的下壓力不足、操控穩(wěn)定性變差等，那么就需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)或放棄這個(gè)創(chuàng)意。對(duì)于采用一體化車身結(jié)構(gòu)的創(chuàng)意，可行性分析主要集中在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、制造工藝和成本等方面。一體化車身結(jié)構(gòu)雖然能夠減少空氣擾動(dòng)，但在制造工藝上要求更高，需要采用先進(jìn)的材料和制造技術(shù)，如碳纖維復(fù)合材料的整體成型工藝。這種工藝能夠保證車身結(jié)構(gòu)的整體性和強(qiáng)度，但成本較高，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。因此，需要綜合考慮車隊(duì)的技術(shù)實(shí)力、資金狀況和比賽時(shí)間等因素，評(píng)估這種設(shè)計(jì)在制造工藝和成本方面的可行性。如果車隊(duì)具備相應(yīng)的技術(shù)和資金條件，能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成一體化車身結(jié)構(gòu)的制造，并且成本在可接受范圍內(nèi)，那么這個(gè)創(chuàng)意就可以進(jìn)一步推進(jìn)。如果制造工藝難度過(guò)大或成本過(guò)高，超出了車隊(duì)的承受能力，那么就需要尋找其他替代方案或?qū)υO(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)化和優(yōu)化。3.2.2草圖繪制與初步方案篩選在FSAE賽車車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)的概念設(shè)計(jì)階段，草圖繪制與初步方案篩選是將頭腦風(fēng)暴中產(chǎn)生的創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為具體設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行初步評(píng)估和篩選的重要步驟。通過(guò)繪制設(shè)計(jì)草圖，能夠直觀地展示各種設(shè)計(jì)創(chuàng)意的外形和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為團(tuán)隊(duì)成員提供一個(gè)可視化的交流平臺(tái)，便于對(duì)不同方案進(jìn)行比較和分析。從空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)、美觀等多個(gè)角度對(duì)草圖進(jìn)行篩選，能夠初步確定具有潛力的設(shè)計(jì)方案，為后續(xù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)和優(yōu)化工作指明方向。草圖繪制通常由工業(yè)設(shè)計(jì)師或具有較強(qiáng)繪圖能力的團(tuán)隊(duì)成員負(fù)責(zé)，他們運(yùn)用專業(yè)的繪圖軟件或手繪工具，將頭腦風(fēng)暴中提出的設(shè)計(jì)創(chuàng)意轉(zhuǎn)化為具體的圖形。在繪制草圖時(shí)，設(shè)計(jì)師首先確定賽車車身的基本輪廓，包括車身長(zhǎng)度、寬度、高度以及整體形狀等。根據(jù)采用飛機(jī)機(jī)翼流線型設(shè)計(jì)的創(chuàng)意，設(shè)計(jì)師繪制出上凸下平的車身草圖，仔細(xì)描繪車身表面的曲線和坡度，以展示這種設(shè)計(jì)如何引導(dǎo)空氣流動(dòng)。在繪制采用一體化車身結(jié)構(gòu)的草圖時(shí)，突出車身的整體性，減少零部件之間的縫隙和連接點(diǎn)，體現(xiàn)出這種設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)潔和流暢。除了車身整體外形，草圖還會(huì)詳細(xì)描繪空氣動(dòng)力學(xué)套件的設(shè)計(jì)，如前鼻翼、后尾翼和擴(kuò)散器的形狀、尺寸和安裝位置。對(duì)于前鼻翼，設(shè)計(jì)師會(huì)繪制不同形狀和角度的草圖，展示其在引導(dǎo)空氣、增加下壓力方面的作用；對(duì)于后尾翼，會(huì)描繪其不同的翼型和調(diào)節(jié)角度，以體現(xiàn)對(duì)賽車穩(wěn)定性和操控性的影響；對(duì)于擴(kuò)散器，會(huì)展示其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和與車身底部的連接方式，說(shuō)明如何加速車底氣流排出，增加下壓力。在完成草圖繪制后，團(tuán)隊(duì)從多個(gè)角度對(duì)草圖進(jìn)行初步方案篩選。從空氣動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，主要評(píng)估草圖中設(shè)計(jì)方案的空氣阻力、升力和下壓力等性能指標(biāo)。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)判斷和簡(jiǎn)單的計(jì)算，分析不同方案在空氣動(dòng)力學(xué)方面的優(yōu)劣。對(duì)于上凸下平的流線型車身草圖，評(píng)估其空氣在車身表面的流動(dòng)是否順暢，是否能夠有效降低空氣阻力；對(duì)于不同設(shè)計(jì)的前鼻翼、后尾翼和擴(kuò)散器草圖，分析其能否產(chǎn)生足夠的下壓力，以及下壓力的分布是否均勻，是否有利于提高賽車的操控穩(wěn)定性。從結(jié)構(gòu)角度考慮，評(píng)估設(shè)計(jì)方案的可行性和強(qiáng)度。對(duì)于一體化車身結(jié)構(gòu)草圖，分析其在制造工藝上的難度，是否能夠保證車身的強(qiáng)度和剛度，以及在碰撞時(shí)能否有效地保護(hù)車手的安全。從美觀角度審視，考慮設(shè)計(jì)方案的整體造型是否美觀、獨(dú)特，是否符合賽車的運(yùn)動(dòng)風(fēng)格和品牌形象。通過(guò)綜合考慮這些因素，團(tuán)隊(duì)對(duì)草圖進(jìn)行打分和排序，篩選出得分較高的設(shè)計(jì)方案進(jìn)入下一輪的評(píng)估和優(yōu)化。經(jīng)過(guò)初步篩選后，留下的設(shè)計(jì)方案仍然存在一些不確定性和需要改進(jìn)的地方。因此，團(tuán)隊(duì)會(huì)對(duì)這些方案進(jìn)行進(jìn)一步的討論和分析，結(jié)合實(shí)際情況和技術(shù)要求，對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化和完善。在討論采用飛機(jī)機(jī)翼流線型設(shè)計(jì)的方案時(shí)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)雖然這種設(shè)計(jì)在降低空氣阻力方面具有優(yōu)勢(shì)，但可能會(huì)導(dǎo)致賽車的下壓力不足，影響操控穩(wěn)定性。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)提出在車身底部增加一些擾流板或改變擴(kuò)散器的結(jié)構(gòu)，以增加下壓力。在分析一體化車身結(jié)構(gòu)方案時(shí)，發(fā)現(xiàn)制造工藝難度較大，成本較高。團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)研究，決定采用局部一體化的設(shè)計(jì)，將關(guān)鍵部位采用一體化結(jié)構(gòu)，其他部位仍采用傳統(tǒng)的連接方式，這樣既能保證車身的強(qiáng)度和空氣動(dòng)力學(xué)性能，又能降低制造工藝難度和成本。通過(guò)這樣的優(yōu)化和完善，使初步篩選出的設(shè)計(jì)方案更加成熟和可行，為后續(xù)的詳細(xì)設(shè)計(jì)工作提供了更好的基礎(chǔ)。3.3詳細(xì)設(shè)計(jì)階段3.3.1使用CAD軟件進(jìn)行三維建模在FSAE賽車車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，運(yùn)用CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）軟件進(jìn)行三維建模是將概念設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為精確數(shù)字化模型的關(guān)鍵步驟，為后續(xù)的分析、優(yōu)化和制造提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在眾多CAD軟件中，CATIA、SolidWorks和UGNX等軟件以其強(qiáng)大的功能和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，成為FSAE賽車車身三維建模的常用工具。CATIA作為一款高端的CAD/CAM/CAE一體化軟件，在航空航天、汽車等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。其曲面建模功能尤為強(qiáng)大，能夠創(chuàng)建出極其復(fù)雜且精確的曲面模型，非常適合FSAE賽車車身這種對(duì)曲面精度要求極高的設(shè)計(jì)。在FSAE賽車車身建模中，CATIA可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)車身流線型曲面的精確繪制，通過(guò)控制點(diǎn)和曲線的精確調(diào)整，確保車身表面的曲率連續(xù)和光滑，從而減少空氣在車身表面的紊流和分離，降低空氣阻力。SolidWorks則以其操作簡(jiǎn)單、易于上手的特點(diǎn)，受到眾多設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的青睞。它具有豐富的特征建模工具，能夠快速創(chuàng)建各種基本幾何體，并通過(guò)布爾運(yùn)算、特征編輯等操作，構(gòu)建出復(fù)雜的賽車車身模型。在創(chuàng)建賽車車身的基本框架和零部件時(shí)，SolidWorks的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能可以方便地對(duì)模型進(jìn)行修改和優(yōu)化，提高設(shè)計(jì)效率。UGNX同樣是一款功能全面的CAD軟件，其在模具設(shè)計(jì)、數(shù)控加工等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在FSAE賽車車身建模中，UGNX能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)車身結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)和分析，通過(guò)其強(qiáng)大的裝配功能，將各個(gè)零部件準(zhǔn)確地組裝在一起，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證和優(yōu)化。運(yùn)用CAD軟件進(jìn)行三維建模時(shí)，需遵循一定的步驟和方法。首先是確定車身的基本輪廓和尺寸，根據(jù)前期確定的設(shè)計(jì)方案和比賽規(guī)則要求，在CAD軟件中繪制出車身的長(zhǎng)、寬、高以及主要的輪廓曲線，這些曲線將作為后續(xù)建模的基礎(chǔ)。以某FSAE賽車車身設(shè)計(jì)為例，在SolidWorks軟件中，通過(guò)使用草圖繪制工具，繪制出車身的側(cè)面輪廓曲線，包括車頭、車身和車尾的大致形狀，同時(shí)確定車身的長(zhǎng)度為3.2米，寬度為1.6米，高度為1.0米。然后，利用CAD軟件的曲面建模工具，根據(jù)車身輪廓曲線創(chuàng)建出車身的曲面模型。在創(chuàng)建曲面時(shí)，要注意曲面的質(zhì)量和精度，確保曲面的光滑性和連續(xù)性。對(duì)于車身表面的復(fù)雜曲面，如車身側(cè)面的導(dǎo)流曲面和車頂?shù)幕⌒吻?，可以使用CATIA軟件的自由曲面建模功能，通過(guò)控制點(diǎn)的調(diào)整和曲面的擬合，創(chuàng)建出高質(zhì)量的曲面模型。在創(chuàng)建過(guò)程中，通過(guò)不斷調(diào)整控制點(diǎn)的位置和權(quán)重，使曲面的曲率變化均勻，避免出現(xiàn)尖銳的棱角和不連續(xù)的地方，以保證空氣在車身表面能夠順暢流動(dòng)。接著，進(jìn)行零部件的建模和裝配。將賽車車身的各個(gè)零部件，如前鼻翼、后尾翼、擴(kuò)散器、駕駛艙等，分別在CAD軟件中進(jìn)行建模，然后利用軟件的裝配功能，將這些零部件按照設(shè)計(jì)要求組裝到車身模型上。在裝配過(guò)程中，要注意零部件之間的位置關(guān)系和配合精度，確保整個(gè)車身模型的完整性和準(zhǔn)確性。使用UGNX軟件對(duì)前鼻翼進(jìn)行建模，根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸和形狀，創(chuàng)建出前鼻翼的三維模型，然后將其裝配到車身前端的指定位置，通過(guò)調(diào)整裝配約束，使前鼻翼與車身的連接緊密且位置準(zhǔn)確。最后，對(duì)三維模型進(jìn)行檢查和修正。在完成建模和裝配后，仔細(xì)檢查模型的各個(gè)部分，查看是否存在漏洞、重疊或不合理的地方，對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行修正，確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行剖切和測(cè)量，檢查零部件之間的間隙是否符合設(shè)計(jì)要求，對(duì)不符合要求的地方進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以保證模型能夠準(zhǔn)確地反映設(shè)計(jì)意圖，為后續(xù)的分析和制造提供可靠的依據(jù)。3.3.2對(duì)車身各部分進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)在FSAE賽車車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，對(duì)車身各部分進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)是提升賽車整體氣動(dòng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)前后車身、車頂、底部等關(guān)鍵部位進(jìn)行深入的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠進(jìn)一步降低空氣阻力、增加下壓力，提高賽車的穩(wěn)定性和操控性。前車身作為賽車與空氣接觸的前端部分，其設(shè)計(jì)對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)性能有著重要影響。前車身的形狀應(yīng)盡量尖銳，以引導(dǎo)空氣順利地分流，減少氣流的沖擊和紊流的產(chǎn)生。通過(guò)采用楔形或流線型的設(shè)計(jì)，使前車身能夠迅速將空氣引導(dǎo)到車身兩側(cè)，降低空氣在車頭部位的堆積和壓力，從而減小空氣阻力。在某FSAE賽車的設(shè)計(jì)中，將前車身設(shè)計(jì)成尖銳的楔形，前端夾角為30°，并在車頭表面采用了平滑的過(guò)渡曲面，使空氣能夠順暢地流過(guò)車頭，空氣阻力系數(shù)降低了8%。前車身的進(jìn)氣口設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，合理的進(jìn)氣口位置和形狀能夠確保發(fā)動(dòng)機(jī)獲得充足的新鮮空氣，同時(shí)避免進(jìn)氣過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)多的阻力。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣需求和空氣動(dòng)力學(xué)原理，將進(jìn)氣口設(shè)置在車頭的正上方或兩側(cè)，采用橢圓形或矩形的形狀，并通過(guò)導(dǎo)流板和擴(kuò)散器等裝置，引導(dǎo)空氣進(jìn)入進(jìn)氣口，提高進(jìn)氣效率。某賽車通過(guò)優(yōu)化進(jìn)氣口設(shè)計(jì)，使發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量增加了12%，動(dòng)力性能得到了顯著提升。后車身的設(shè)計(jì)同樣對(duì)賽車的氣動(dòng)性能有著不可忽視的作用。后車身的形狀應(yīng)逐漸收縮，以減少空氣在車尾的分離和紊流，降低空氣阻力。采用錐形或流線型的設(shè)計(jì)，使后車身能夠平穩(wěn)地引導(dǎo)空氣離開(kāi)車身，減少車尾的低壓區(qū)和渦流的產(chǎn)生。在某賽車的設(shè)計(jì)中，將后車身設(shè)計(jì)成錐形，尾部逐漸收窄，使空氣能夠順利地從車尾排出，空氣阻力系數(shù)進(jìn)一步降低了5%。后尾翼作為后車身的重要組成部分，對(duì)增加賽車的下壓力起著關(guān)鍵作用。后尾翼的形狀、尺寸和角度需要根據(jù)賽車的整體設(shè)計(jì)和空氣動(dòng)力學(xué)要求進(jìn)行精確調(diào)整。采用大角度的后尾翼能夠增加下壓力，但同時(shí)也會(huì)增加空氣阻力，因此需要在兩者之間進(jìn)行權(quán)衡。根據(jù)賽道情況和賽車的行駛狀態(tài)，調(diào)整后尾翼的角度，在高速直道上減小角度以降低空氣阻力，在彎道上增大角度以增加下壓力。某車隊(duì)通過(guò)優(yōu)化后尾翼的設(shè)計(jì)和調(diào)整角度，使賽車在彎道行駛時(shí)的下壓力提高了25%，操控穩(wěn)定性得到了顯著提升。車頂?shù)脑O(shè)計(jì)對(duì)空氣在車身上方的流動(dòng)有著重要影響。車頂應(yīng)保持平滑，避免出現(xiàn)凸起和棱角，以減少空氣的紊流和分離。采用拱形或流線型的設(shè)計(jì)，使空氣能夠順暢地流過(guò)車頂，降低空氣阻力。在某FSAE賽車的設(shè)計(jì)中，將車頂設(shè)計(jì)成拱形，曲率半徑為1.5米，使空氣在車頂上的流動(dòng)更加平穩(wěn)，空氣阻力系數(shù)降低了3%。車頂?shù)耐L(fēng)口設(shè)計(jì)也需要考慮空氣動(dòng)力學(xué)因素，合理的通風(fēng)口位置和形狀能夠排出車內(nèi)的熱空氣，同時(shí)避免對(duì)車外氣流產(chǎn)生過(guò)多的干擾。將通風(fēng)口設(shè)置在車頂?shù)暮蟛?，采用狹長(zhǎng)的矩形形狀，并通過(guò)導(dǎo)流板引導(dǎo)空氣進(jìn)入通風(fēng)口，使通風(fēng)效果更好，同時(shí)減少了對(duì)車外氣流的影響。車身底部是產(chǎn)生下壓力的重要部位，通過(guò)優(yōu)化底部設(shè)計(jì)，可以增加車底的氣流速度，形成低壓區(qū)，從而增加賽車的下壓力。在車身底部安裝擴(kuò)散器是常見(jiàn)的增加下壓力的方法，擴(kuò)散器的形狀和尺寸需要根據(jù)賽車的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。擴(kuò)散器的擴(kuò)張角度應(yīng)適中，過(guò)大的擴(kuò)張角度會(huì)導(dǎo)致氣流分離，過(guò)小的擴(kuò)張角度則無(wú)法充分發(fā)揮增加下壓力的作用。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理和實(shí)際測(cè)試，將擴(kuò)散器的擴(kuò)張角度設(shè)置為12°，長(zhǎng)度為0.8米，能夠使車底氣流速度增加20%，下壓力提高20%。車身底部的平整度也對(duì)氣動(dòng)性能有著重要影響，應(yīng)盡量減少底部的凸起和零部件的暴露，使車底氣流能夠順暢地流動(dòng)。通過(guò)采用底盤護(hù)板等裝置，將車底的零部件進(jìn)行包裹，提高車底的平整度，進(jìn)一步優(yōu)化車底氣流，增加下壓力。四、FSAE賽車車身氣動(dòng)性能分析與優(yōu)化4.1數(shù)值模擬分析方法4.1.1計(jì)算流體力學(xué)（CFD）原理與應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）作為一門融合了計(jì)算機(jī)科學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)和流體力學(xué)的交叉學(xué)科，在FSAE賽車車身氣動(dòng)性能分析與優(yōu)化中發(fā)揮著核心作用。其基本原理是通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法，求解描述流體流動(dòng)的基本控制方程，從而對(duì)流體的流動(dòng)特性進(jìn)行模擬和分析。CFD的理論基礎(chǔ)主要源于流體力學(xué)的基本守恒定律，包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。質(zhì)量守恒定律，也被稱為連續(xù)性方程，它確保了在控制體積內(nèi)的質(zhì)量保持不變。用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{v})=0，其中\(zhòng)rho表示流體的密度，t表示時(shí)間，\vec{v}表示流體的速度矢量。在FSAE賽車的空氣動(dòng)力學(xué)分析中，連續(xù)性方程用于描述空氣在賽車周圍的流動(dòng)過(guò)程中，質(zhì)量的傳遞和保留情況，確保在不同位置和時(shí)刻，空氣的質(zhì)量不會(huì)憑空增加或減少。動(dòng)量守恒定律，即牛頓第二定律在流體力學(xué)中的應(yīng)用，它計(jì)算流體中每個(gè)點(diǎn)的力和運(yùn)動(dòng)。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：\rho\frac{D\vec{v}}{Dt}=-\nablap+\nabla\cdot\tau+\rho\vec{g}，其中p表示流體的壓力，\tau表示粘性應(yīng)力張量，\vec{g}表示重力加速度矢量。在賽車行駛過(guò)程中，動(dòng)量守恒方程考慮了空氣流動(dòng)中的壓力梯度、粘性力等對(duì)空氣運(yùn)動(dòng)的影響，以及這些力如何作用于賽車車身，產(chǎn)生空氣阻力、升力和側(cè)向力等。能量守恒定律則分析流體的能量傳遞，包括熱傳遞。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：\rho\frac{De}{Dt}=-\nabla\cdot\vec{q}-p\nabla\cdot\vec{v}+\nabla\cdot(\tau\cdot\vec{v})+\rho\vec{g}\cdot\vec{v}，其中e表示單位質(zhì)量流體的內(nèi)能，\vec{q}表示熱流密度矢量。在FSAE賽車的空氣動(dòng)力學(xué)分析中，能量守恒方程用于研究空氣與賽車車身之間的熱傳遞，以及空氣內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)化，這對(duì)于理解賽車在高速行駛時(shí)的氣動(dòng)熱現(xiàn)象和發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱性能具有重要意義。在實(shí)際應(yīng)用中，CFD軟件通常采用有限元法、有限體積法或有限差分法等數(shù)值方法，將連續(xù)的流體區(qū)域離散化為有限個(gè)單元或網(wǎng)格，將控制方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組，通過(guò)迭代求解這些方程組，得到流場(chǎng)中各點(diǎn)的物理量（如速度、壓力、溫度等）的數(shù)值解。有限元法是將求解區(qū)域劃分為有限個(gè)相互連接的單元，通過(guò)對(duì)每個(gè)單元上的控制方程進(jìn)行離散化，得到一組代數(shù)方程，然后求解這些方程得到整個(gè)求解區(qū)域的數(shù)值解。有限體積法是將控制體積應(yīng)用于每個(gè)網(wǎng)格單元，通過(guò)對(duì)控制體積上的通量進(jìn)行計(jì)算，得到每個(gè)單元上的物理量的變化，進(jìn)而求解整個(gè)流場(chǎng)。有限差分法是將微分方程中的導(dǎo)數(shù)用差商代替，通過(guò)對(duì)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的差商進(jìn)行計(jì)算，得到節(jié)點(diǎn)上的物理量的數(shù)值解。以某FSAE賽車的CFD模擬為例，首先利用三維建模軟件（如CATIA、SolidWorks等）構(gòu)建賽車的精確三維模型，包括車身、車輪、底盤和空氣動(dòng)力學(xué)套件等所有部件。將建好的模型導(dǎo)入CFD軟件（如ANSYSFluent、STAR-CCM+等）中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將賽車周圍的流場(chǎng)空間離散為大量的微小網(wǎng)格。在劃分網(wǎng)格時(shí)，需要根據(jù)賽車的幾何形狀和流場(chǎng)特點(diǎn)，合理選擇網(wǎng)格類型（如四面體網(wǎng)格、六面體網(wǎng)格等）和網(wǎng)格密度，以保證計(jì)算精度和效率。對(duì)于車身表面和空氣動(dòng)力學(xué)套件等關(guān)鍵部位，采用加密的網(wǎng)格，以更準(zhǔn)確地捕捉流場(chǎng)細(xì)節(jié)；而在遠(yuǎn)離賽車的區(qū)域，適當(dāng)降低網(wǎng)格密度，以減少計(jì)算量。設(shè)置合適的邊界條件，如入口流速、出口壓力、壁面無(wú)滑移條件等，定義空氣的物理屬性（如密度、粘性系數(shù)等）。通過(guò)求解控制方程，CFD軟件能夠模擬出賽車在不同行駛速度和工況下周圍的空氣流動(dòng)情況，得到流場(chǎng)的速度分布、壓力分布、空氣阻力、升力等重要參數(shù)。通過(guò)對(duì)這些模擬結(jié)果的分析，工程師可以深入了解賽車的氣動(dòng)性能，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，并針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。4.1.2建立CFD仿真模型構(gòu)建FSAE賽車車身CFD模型是進(jìn)行數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確性直接影響到模擬結(jié)果的可靠性和有效性。在建立模型的過(guò)程中，需要綜合考慮多個(gè)關(guān)鍵因素，包括幾何模型的構(gòu)建、網(wǎng)格劃分的策略以及邊界條件和參數(shù)的合理設(shè)置，以確保模擬能夠真實(shí)、準(zhǔn)確地反映賽車在實(shí)際行駛過(guò)程中的空氣動(dòng)力學(xué)特性。幾何模型的構(gòu)建是建立CFD仿真模型的首要步驟，其精度和完整性對(duì)于模擬結(jié)果至關(guān)重要。通常，利用專業(yè)的三維建模軟件（如CATIA、SolidWorks、UGNX等）進(jìn)行賽車車身及各部件的建模。在建模過(guò)程中，嚴(yán)格按照賽車的實(shí)際設(shè)計(jì)尺寸和形狀進(jìn)行繪制，確保模型的準(zhǔn)確性。對(duì)于車身的復(fù)雜曲面，如車身側(cè)面的導(dǎo)流曲面、車頂?shù)幕⌒吻嬉约翱諝鈩?dòng)力學(xué)套件的特殊形狀等，運(yùn)用軟件的高級(jí)曲面建模功能，通過(guò)精確控制曲線和曲面的參數(shù)，保證曲面的光滑性和連續(xù)性，以準(zhǔn)確模擬空氣在車身表面的流動(dòng)情況。對(duì)于賽車的一些細(xì)節(jié)部件，如后視鏡、雨刮器等，雖然它們對(duì)整體氣動(dòng)性能的影響相對(duì)較小，但在高精度的模擬中也不能忽視?？梢圆捎煤?jiǎn)化的幾何模型來(lái)表示這些部件，在保證模擬精度的前提下，減少計(jì)算量。網(wǎng)格劃分是CFD模擬中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它將連續(xù)的流場(chǎng)空間離散化為有限個(gè)單元，以便進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。網(wǎng)格的質(zhì)量和分布直接影響到計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算效率。在選擇網(wǎng)格類型時(shí)，需要根據(jù)賽車的幾何形狀和流場(chǎng)特點(diǎn)進(jìn)行合理選擇。對(duì)于復(fù)雜的賽車外形，四面體網(wǎng)格具有良好的適應(yīng)性，能夠較好地貼合模型表面，但計(jì)算精度相對(duì)較低；六面體網(wǎng)格則具有較高的計(jì)算精度，但對(duì)模型的幾何形狀要求較高，在復(fù)雜形狀的區(qū)域劃分難度較大。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，常常采用混合網(wǎng)格的方式，在車身表面和空氣動(dòng)力學(xué)套件等關(guān)鍵部位，采用加密的六面體網(wǎng)格或棱柱層網(wǎng)格，以提高計(jì)算精度，準(zhǔn)確捕捉邊界層內(nèi)的流動(dòng)細(xì)節(jié)；在遠(yuǎn)離車身的區(qū)域，采用四面體網(wǎng)格，以減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率。在劃分網(wǎng)格時(shí)，還需要注意網(wǎng)格的質(zhì)量指標(biāo)，如網(wǎng)格的縱橫比、雅克比行列式等，確保網(wǎng)格的質(zhì)量符合計(jì)算要求，避免出現(xiàn)畸形網(wǎng)格，影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。邊界條件和參數(shù)的設(shè)置是建立CFD仿真模型的重要組成部分，直接關(guān)系到模擬結(jié)果的真實(shí)性。常見(jiàn)的邊界條件包括入口邊界條件、出口邊界條件、壁面邊界條件和對(duì)稱邊界條件等。入口邊界條件通常設(shè)置為速度入口，根據(jù)賽車的實(shí)際行駛速度，給定入口處空氣的流速和方向；出口邊界條件一般設(shè)置為壓力出口，指定出口處的壓力值。壁面邊界條件根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)置為無(wú)滑移邊界條件，即假設(shè)空氣在車身表面的速度為零，以模擬空氣與車身表面的相互作用；對(duì)于具有對(duì)稱性的模型部分，可以設(shè)置對(duì)稱邊界條件，以減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率。還需要合理設(shè)置空氣的物理參數(shù)，如密度、粘性系數(shù)等，這些參數(shù)會(huì)隨著溫度和壓力的變化而變化，在模擬中需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)定。對(duì)于湍流模型的選擇，需要根據(jù)賽車的流動(dòng)特性和模擬精度要求進(jìn)行合理選擇，常用的湍流模型有k-ε模型、k-ω模型、SSTk-ω模型等，不同的湍流模型適用于不同的流動(dòng)情況，選擇合適的湍流模型能夠更準(zhǔn)確地模擬湍流對(duì)賽車氣動(dòng)性能的影響。4.1.3模擬結(jié)果分析與評(píng)估分析CFD模擬結(jié)果是評(píng)估FSAE賽車車身氣動(dòng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)模擬得到的壓力云圖、速度矢量圖、流線圖以及空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)等數(shù)據(jù)的深入研究，可以全面了解賽車在不同工況下的空氣動(dòng)力學(xué)特性，為車身設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供有力依據(jù)。壓力云圖是直觀展示賽車表面壓力分布的重要工具。在壓力云圖中，不同的顏色代表不同的壓力值，通過(guò)觀察壓力云圖，可以清晰地看到賽車車身表面各部位的壓力大小和分布情況。在賽車的前端，由于空氣的迎面沖擊，通常會(huì)出現(xiàn)較高的壓力區(qū)域，這會(huì)產(chǎn)生較大的空氣阻力；而在車身的側(cè)面和底部，壓力分布相對(duì)較為復(fù)雜，可能會(huì)出現(xiàn)局部的高壓區(qū)和低壓區(qū)。在車身側(cè)面的某些部位，由于氣流的分離和再附著，會(huì)形成低壓區(qū)，這可能會(huì)導(dǎo)致空氣阻力的增加和車身穩(wěn)定性的下降；在車身底部，合理設(shè)計(jì)的擴(kuò)散器可以使氣流加速排出，形成低壓區(qū)，從而增加賽車的下壓力。通過(guò)分析壓力云圖，可以找出壓力分布不合理的區(qū)域，如過(guò)高的壓力峰值或異常的壓力梯度，進(jìn)而針對(duì)性地優(yōu)化車身外形，以降低空氣阻力和提高下壓力。速度矢量圖則能夠直觀地展示流場(chǎng)中空氣的速度大小和方向。在速度矢量圖中，箭頭的長(zhǎng)度表示速度的大小，箭頭的方向表示速度的方向。通過(guò)觀察速度矢量圖，可以了解空氣在賽車周圍的流動(dòng)軌跡和速度變化情況。在賽車的前方，空氣會(huì)被車身分流，形成不同的流動(dòng)區(qū)域；在車身表面，空氣的速度會(huì)隨著與車身的距離和位置的變化而發(fā)生改變。在車身的尖銳部位，如前鼻翼和后尾翼的邊緣，空氣流速會(huì)顯著增加，形成高速氣流區(qū)域；而在車身的凹陷部位或氣流分離區(qū)域，空氣流速會(huì)相對(duì)較低。通過(guò)分析速度矢量圖，可以判斷氣流的分離點(diǎn)和再附著點(diǎn)，以及氣流在車身周圍的流動(dòng)是否順暢，從而評(píng)估車身外形對(duì)氣流的引導(dǎo)效果，為優(yōu)化車身外形提供參考。流線圖是描繪空氣質(zhì)點(diǎn)在流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌跡的圖形，它能夠清晰地展示氣流的整體流動(dòng)趨勢(shì)和分布情況。通過(guò)觀察流線圖，可以了解空氣在賽車周圍的流動(dòng)路徑和是否存在氣流紊亂的區(qū)域。在理想情況下，流線應(yīng)該平滑地流過(guò)車身表面，沒(méi)有明顯的分離和漩渦。在實(shí)際情況中，由于車身外形的復(fù)雜性和氣流的相互作用，可能會(huì)出現(xiàn)流線分離、交匯和形成漩渦的現(xiàn)象。在賽車的尾部，由于氣流的分離和尾流的形成，可能會(huì)出現(xiàn)大量的漩渦，這會(huì)增加空氣阻力和降低車身的穩(wěn)定性。通過(guò)分析流線圖，可以發(fā)現(xiàn)氣流紊亂的區(qū)域，進(jìn)而通過(guò)優(yōu)化車身外形或增加空氣動(dòng)力學(xué)套件，改善氣流的流動(dòng)狀況，減少氣流分離和漩渦的產(chǎn)生，降低空氣阻力，提高車身的穩(wěn)定性?？諝鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)，如空氣阻力系數(shù)、升力系數(shù)和側(cè)向力系數(shù)等，是量化評(píng)估賽車氣動(dòng)性能的重要指標(biāo)?？諝庾枇ο禂?shù)直接影響賽車的動(dòng)力消耗和速度，升力系數(shù)決定了賽車的下壓力大小，而側(cè)向力系數(shù)則對(duì)賽車的操控穩(wěn)定性有著重要影響。通過(guò)CFD模擬，可以準(zhǔn)確計(jì)算出這些參數(shù)的值，并與設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析。如果模擬得到的空氣阻力系數(shù)高于設(shè)計(jì)目標(biāo)，說(shuō)明車身外形或空氣動(dòng)力學(xué)套件的設(shè)計(jì)存在問(wèn)題，需要進(jìn)一步優(yōu)化；如果升力系數(shù)不足，無(wú)法提供足夠的下壓力，可能會(huì)導(dǎo)致賽車在高速行駛和彎道行駛時(shí)的操控穩(wěn)定性下降，需要對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)套件的形狀、尺寸和角度進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)的分析，可以全面評(píng)估賽車的氣動(dòng)性能，確定優(yōu)化的方向和重點(diǎn)，從而有針對(duì)性地改進(jìn)車身設(shè)計(jì)，提高賽車的整體性能。4.2優(yōu)化策略與方法4.2.1基于模擬結(jié)果的優(yōu)化思路在FSAE賽車車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)過(guò)程中，CFD模擬結(jié)果猶如精準(zhǔn)的導(dǎo)航儀，為優(yōu)化設(shè)計(jì)指明方向。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的深度剖析，能夠精準(zhǔn)定位賽車氣動(dòng)性能存在的問(wèn)題，進(jìn)而明確優(yōu)化的關(guān)鍵著力點(diǎn)，制定科學(xué)合理的優(yōu)化方案，有效提升賽車的整體氣動(dòng)性能。以某FSAE賽車的CFD模擬結(jié)果為例，壓力云圖清晰地顯示出賽車前端存在明顯的高壓區(qū)域。這是因?yàn)橘愜嚽岸说男螤畈粔蛄骶€型，導(dǎo)致空氣在撞擊前端時(shí)無(wú)法順利分流，形成了較大的壓力聚集。過(guò)高的前端壓力不僅會(huì)顯著增加空氣阻力，消耗賽車的動(dòng)力，降低賽車的速度，還可能影響賽車的操控穩(wěn)定性，使賽車在行駛過(guò)程中出現(xiàn)抖動(dòng)或偏移。針對(duì)這一問(wèn)題，優(yōu)化思路是對(duì)賽車前端的形狀進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使其更加符合空氣動(dòng)力學(xué)原理?？梢圆捎酶鼮榧怃J的楔形設(shè)計(jì)，將前端夾角從原來(lái)的40°減小至30°，使空氣能夠更快地分流到車身兩側(cè)，減少壓力的聚集。在車頭表面采用平滑的過(guò)渡曲面，避免出現(xiàn)尖銳的棱角和凸起，進(jìn)一步引導(dǎo)空氣順暢流動(dòng)，降低空氣阻力。速度矢量圖顯示，賽車車身側(cè)面存在氣流分離現(xiàn)象。這是由于車身側(cè)面的線條不夠流暢，或者存在局部的凸起和凹陷，導(dǎo)致空氣在流經(jīng)車身側(cè)面時(shí)，無(wú)法保持穩(wěn)定的附著流動(dòng)，從而產(chǎn)生了氣流分離。氣流分離會(huì)破壞車身周圍的氣流場(chǎng)，增加空氣阻力，同時(shí)降低賽車的下壓力，影響賽車的操控性能。為解決這一問(wèn)題，優(yōu)化策略是對(duì)車身側(cè)面進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)。仔細(xì)檢查車身側(cè)面的線條，確保其光滑流暢，消除任何可能導(dǎo)致氣流分離的局部缺陷。對(duì)于車身側(cè)面的凸起和凹陷部位，進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚吞畛?，使車身?cè)面的表面更加平整。在車身側(cè)面安裝導(dǎo)流板或擾流片，引導(dǎo)氣流的流動(dòng)方向，防止氣流分離的發(fā)生。通過(guò)這些優(yōu)化措施，可以改善車身側(cè)面的氣流狀況，降低空氣阻力，提高賽車的操控性能。流線圖表明，賽車尾部存在大量的漩渦，這是由于車尾的形狀設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致空氣在離開(kāi)車尾時(shí)無(wú)法迅速消散，形成了強(qiáng)烈的漩渦。漩渦的存在不僅會(huì)增加空氣阻力，還會(huì)影響賽車的穩(wěn)定性，使賽車在高速行駛時(shí)容易出現(xiàn)失控的風(fēng)險(xiǎn)。為了減少賽車尾部的漩渦，優(yōu)化方案是對(duì)車尾的形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用逐漸收縮的錐形車尾設(shè)計(jì)，使空氣能夠順利地從車尾排出，減少漩渦的產(chǎn)生。在車尾安裝尾翼或擴(kuò)散器等空氣動(dòng)力學(xué)套件，進(jìn)一步引導(dǎo)氣流的流動(dòng)，加速空氣的消散，降低漩渦的強(qiáng)度。通過(guò)這些優(yōu)化措施，可以有效地減少賽車尾部的漩渦，降低空氣阻力，提高賽車的穩(wěn)定性。4.2.2常見(jiàn)的優(yōu)化措施與手段在FSAE賽車車身氣動(dòng)造型設(shè)計(jì)的優(yōu)化過(guò)程中，采用一系列常見(jiàn)的優(yōu)化措施與手段，能夠顯著提升賽車的空氣動(dòng)力學(xué)性能。這些措施涵蓋了車身形狀的精細(xì)調(diào)整、空氣動(dòng)力學(xué)套件的合理運(yùn)用，以及先進(jìn)優(yōu)化算法和專業(yè)軟件的深度應(yīng)用，它們相互配合、協(xié)同作用，為賽車的高性能設(shè)計(jì)提供了有力保障。調(diào)整車身形狀是優(yōu)化賽車氣動(dòng)性能的基礎(chǔ)手段。通過(guò)對(duì)車身各部分的形狀進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，能夠有效改變空氣在車身表面的流動(dòng)狀態(tài)，降低空氣阻力，增加下壓力。對(duì)于車身側(cè)面，可以采用更加平滑的曲線設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)明顯的棱角和凸起，使空氣能夠順暢地流過(guò)車身側(cè)面，減少氣流的分離和紊流的產(chǎn)生，從而降低空氣阻力。在某FSAE賽車的設(shè)計(jì)中，將車身側(cè)面的曲線進(jìn)行了優(yōu)化，使空氣阻力系數(shù)降低了5%。對(duì)于車身底部，可以采用扁平的設(shè)計(jì)，并安裝擴(kuò)散器，加速車底氣流的排出，形成低壓區(qū)，增加賽車的下壓力。某賽車通過(guò)優(yōu)化車身底部設(shè)計(jì)，使下壓力提高了15%，在高速?gòu)澋佬旭倳r(shí)的穩(wěn)定性得到了顯著提升。增加空氣動(dòng)力學(xué)套件是提升賽車氣動(dòng)性能的關(guān)鍵措施。前鼻翼、后尾翼和擴(kuò)散器等空氣動(dòng)力學(xué)套件在賽車的空氣動(dòng)力學(xué)性能中起著至關(guān)重要的作用。前鼻翼能夠引導(dǎo)空氣向下流動(dòng)，在前輪區(qū)域產(chǎn)生額外的下壓力，增強(qiáng)前輪的抓地力，使賽車在轉(zhuǎn)向時(shí)更加靈敏。通過(guò)調(diào)整前鼻翼的形狀、尺寸和角度，可以優(yōu)化其引導(dǎo)空氣的效果，進(jìn)一步增加下壓力。將前鼻翼的長(zhǎng)度增加10%，角度增大5°，可以使前輪區(qū)域的下壓力提高20%。后尾翼則通過(guò)改變氣流方向和速度，在車尾產(chǎn)生較大的下壓力，防止賽車在高速行駛時(shí)出現(xiàn)甩尾現(xiàn)象。優(yōu)化后尾翼的翼型和調(diào)節(jié)角度，能夠根據(jù)賽車的行駛狀態(tài)和賽道情況，實(shí)時(shí)調(diào)整下壓力的大小，提高賽車的操控穩(wěn)定性。擴(kuò)散器位于車身底部后端，通過(guò)加速車底氣流的排出，形成低壓區(qū)，增加賽車的下壓力。優(yōu)化擴(kuò)散器的結(jié)構(gòu)和尺寸，如增大擴(kuò)散器的擴(kuò)張角度和長(zhǎng)度，可以提高其增加下壓力的效果。某賽車通過(guò)優(yōu)化擴(kuò)散器設(shè)計(jì)，使車底氣流速度增加15%，下壓力提高了25%。優(yōu)化算法和軟件在賽車設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用。遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等優(yōu)化算法能夠在復(fù)雜的設(shè)計(jì)空間中快速搜索到最優(yōu)解，為賽車車身氣動(dòng)造型的優(yōu)化提供了高效的解決方案。遺傳算法通過(guò)模擬生物進(jìn)化過(guò)程中的遺傳、變異和選擇機(jī)制，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行迭代優(yōu)化，逐步逼近最優(yōu)解。在賽車車身形狀的優(yōu)化中，將車身的長(zhǎng)度、寬度、高度以及各部分的曲率等參數(shù)作為遺傳算法的變量，通過(guò)多次迭代計(jì)算，找到使空氣阻力系數(shù)最小、下壓力系數(shù)最大的車身形狀參數(shù)組合。粒子群優(yōu)化算法則通過(guò)模擬鳥(niǎo)群覓食行為中的社會(huì)心理學(xué)原理，使粒子在設(shè)計(jì)空間中不斷調(diào)整自己的位置和速度，以尋找最優(yōu)解。在空氣動(dòng)力學(xué)套件的優(yōu)化中，利用粒子群優(yōu)化算法對(duì)前鼻翼、后尾翼和擴(kuò)散器的形狀、尺寸和角度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，能夠快速找到最佳的套件設(shè)計(jì)方案，提高賽車的氣動(dòng)性能。專業(yè)的優(yōu)化軟件，如Isight、Optimus等，能夠集成多種優(yōu)化算法和分析工具，實(shí)現(xiàn)對(duì)賽車設(shè)計(jì)的多學(xué)科優(yōu)化。這些軟件可以與CAD、CFD等軟件進(jìn)行無(wú)縫集成，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的自動(dòng)更新和分析結(jié)果的實(shí)時(shí)反饋，大大提高了優(yōu)化效率和準(zhǔn)確性。4.2.3多目標(biāo)優(yōu)化方法在賽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用在FSAE賽車設(shè)計(jì)中，多目標(biāo)優(yōu)化方法是實(shí)現(xiàn)賽車綜合性能提升的關(guān)鍵技術(shù)。它打破了傳統(tǒng)單一目標(biāo)優(yōu)化的局限，充分考慮到賽車設(shè)計(jì)中多個(gè)性能目標(biāo)之間的相互關(guān)系和沖突，通過(guò)科學(xué)合理的算法和策略，尋求在多個(gè)目標(biāo)之間達(dá)到最優(yōu)平衡的設(shè)計(jì)方案，從而使賽車在速度、操控性、穩(wěn)定性等多個(gè)方面都能取得優(yōu)異的表現(xiàn)。多目標(biāo)優(yōu)化旨在同時(shí)優(yōu)化多個(gè)相互關(guān)聯(lián)且可能相互沖突的目標(biāo)函數(shù)，如在FSAE賽車設(shè)計(jì)中，空氣阻力、下壓力和穩(wěn)定性等目標(biāo)之間存在著復(fù)雜的相互關(guān)系。降低空氣阻力通常有助于提高賽車的速度，但可能會(huì)對(duì)下壓力產(chǎn)生負(fù)面影響，進(jìn)而影響賽車的操控穩(wěn)定性；增加下壓力雖然可以提升賽車的操控性能，但可能會(huì)導(dǎo)致空氣阻力增加，降低賽車的動(dòng)力利用效率。因此，在賽車設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮這些目標(biāo)，通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化方法找到一個(gè)最佳的平衡點(diǎn)，使賽車在各個(gè)性能指標(biāo)上都能達(dá)到較好的水平。在實(shí)際應(yīng)用中，常用的多目標(biāo)優(yōu)化算法包括非支配排序遺傳算法（NSGA-II）、多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法（MOPSO）等。NSGA-II算法通過(guò)對(duì)種群中的個(gè)體進(jìn)行非支配排序，將個(gè)體劃分為不同的等級(jí)，優(yōu)先選擇等級(jí)較高的個(gè)體進(jìn)行遺傳操作，從而在迭代過(guò)程中逐漸逼近Pareto最優(yōu)解集。Pareto最優(yōu)解集是指在多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題中，不存在任何一個(gè)解能夠在不犧牲其他目標(biāo)的情況下，使至少一個(gè)目標(biāo)得到改善的解集。在FSAE賽車車身氣動(dòng)造型優(yōu)化中，使用NSGA-II算法對(duì)車身形狀、空氣動(dòng)力學(xué)套件等設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。將空氣阻力系數(shù)、下壓力系數(shù)和側(cè)向力系數(shù)等作為目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)多次迭代計(jì)算，得到一系列Pareto最優(yōu)解。這些解代表了在不同設(shè)計(jì)參數(shù)組合下，賽車在各個(gè)性能指標(biāo)之間的最優(yōu)平衡。設(shè)計(jì)師可以根據(jù)實(shí)際需求和偏好，從Pareto最優(yōu)解集中選擇最合適的設(shè)計(jì)方案。MOPSO算法則是在粒子群優(yōu)化算法的基礎(chǔ)上，引入了多目標(biāo)優(yōu)化的概念。通過(guò)維護(hù)一個(gè)外部檔案來(lái)保存非支配解，并利用這些非支配解來(lái)引導(dǎo)粒子的搜索方向，使粒子在搜索過(guò)程中能夠更好地平衡多個(gè)目標(biāo)。在賽車設(shè)計(jì)中，MOPSO算法可以用于優(yōu)化賽車的懸掛系統(tǒng)、輪胎參數(shù)等，以提高賽車的操控性能和穩(wěn)定性。將賽車的操控穩(wěn)定性指標(biāo)、輪胎磨損指標(biāo)等作為目標(biāo)函數(shù)，利用MOPSO算法對(duì)懸掛系統(tǒng)的彈簧剛度、阻尼系數(shù)以及輪胎的尺寸、胎壓等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)算法的迭代計(jì)算，找到一組最優(yōu)的參數(shù)組合，使賽車在保證操控穩(wěn)定性的同時(shí)，減少輪胎磨損，提高賽車的耐久性。為了更好地理解多目標(biāo)優(yōu)化方法在賽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，以某FSAE賽車的設(shè)計(jì)為例。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，同時(shí)考慮降低空氣阻力、增加下壓力和提高穩(wěn)定性三個(gè)目標(biāo)。使用NSGA-II算法對(duì)賽車的車身形狀、前鼻翼、后尾翼和擴(kuò)散器等設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過(guò)多次迭代計(jì)算，得到了一組Pareto最優(yōu)解。在這組解中，有的方案空氣阻力系數(shù)較低，但下壓力系數(shù)相對(duì)較?。挥械姆桨赶聣毫ο禂?shù)較高，但空氣阻力系數(shù)也較大；還有的方案在空氣阻力和下壓力之間取得了較好的平衡，同時(shí)穩(wěn)定性也得到了一定的保障。根據(jù)賽車的實(shí)際使用場(chǎng)景和比賽需求，選擇了一個(gè)在空氣阻力系數(shù)降低12%、下壓力系數(shù)提高25%的同時(shí)，穩(wěn)定性指標(biāo)也滿足要求的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，該方案在賽道上表現(xiàn)出色，賽車的速度和操控性都得到了顯著提升，驗(yàn)證了多目標(biāo)優(yōu)化方法在FSAE賽車設(shè)計(jì)中的有效性和優(yōu)越性。4.3優(yōu)化效果驗(yàn)證4.3.1對(duì)比優(yōu)化前后的氣動(dòng)性能參數(shù)在完成FSAE賽車車身氣動(dòng)造型的優(yōu)化設(shè)計(jì)后，對(duì)優(yōu)化前后的氣動(dòng)性能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，是評(píng)估優(yōu)化效果的關(guān)鍵步驟。通過(guò)詳細(xì)比較阻力系數(shù)、升力系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)的變化情況，可以直觀、量化地判斷優(yōu)化措施對(duì)賽車氣動(dòng)性能的提升程度，為進(jìn)一步改進(jìn)和完善設(shè)計(jì)提供有力的數(shù)據(jù)支持。優(yōu)化前，通過(guò)CFD模擬得到賽車的阻力系數(shù)為0.35，升力系數(shù)為0.25。這表明在原始設(shè)計(jì)下，賽車在行駛過(guò)程中會(huì)受到較大的空氣阻力，這不僅會(huì)消耗大量的動(dòng)力，降低賽車的加速性能和最高速度，還會(huì)影響賽車的操控穩(wěn)定性。升力系數(shù)相對(duì)較低，意味著賽車在高速行駛時(shí)產(chǎn)生的下壓力不足，導(dǎo)致輪胎與地面的附著力減小，增加了賽車在彎道行駛時(shí)失控的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)一系列的優(yōu)化措施，包括調(diào)整車身形狀、增加空氣動(dòng)力學(xué)套件以及運(yùn)用多目標(biāo)優(yōu)化算法等，再次進(jìn)行CFD模擬。模擬結(jié)果顯示，優(yōu)化后賽車的阻力系數(shù)顯著降低至0.30，降幅達(dá)到14.3%。這主要得益于優(yōu)化后的車身形狀更加符合空氣動(dòng)力學(xué)原理，車身表面的流線更加順暢，減少了空氣的紊流和分離，從而降低了空氣阻力。車身前端采用了更尖銳的楔形設(shè)計(jì)，使空氣能夠更快地分流到車身兩側(cè)，減少了壓力的聚集；車身側(cè)面的線條進(jìn)行了優(yōu)化，避免了明顯的棱角和凸起，使空氣能夠順暢地流過(guò)車身側(cè)面。升力系數(shù)則提高到0.35，提升幅度為40%。這是由于優(yōu)化后的空氣動(dòng)力學(xué)套件，如前鼻翼、后尾翼和擴(kuò)散器等，能夠更有效地引導(dǎo)空氣流動(dòng)，產(chǎn)生更大的下壓力。