電動方程式賽車車身設(shè)計目錄摘要 51.緒論 71.1設(shè)計背景 71.2設(shè)計目的及意義 71.3設(shè)計步驟 71.4本章小結(jié) 82.車身設(shè)計 92.1車身設(shè)計意義及步驟 92.2三維繪圖軟件的選定 92.3車身三維圖的繪制 92.4本章小結(jié) 123車身空氣動力學CFD仿真 133.1CFD仿真的意義 133.2ANSYSFLUENT軟件簡介 133.3車身CFD仿真 133.4本章小結(jié) 164車身空氣動力學附件設(shè)計 174.1空氣動力學套件介紹 174.2賽車前翼尾翼設(shè)計 174.2.1比賽規(guī)則對空氣動力學裝備的要求 174.2.2翼型的介紹與選擇 184.2.3前翼的設(shè)計 194.2.4尾翼的設(shè)計 214.3前翼尾翼的仿真分析 224.4底部擴散器的設(shè)計 244.5本章小結(jié) 255加裝空氣動力學套件的整車身仿真 265.1整車仿真前期處理 265.2整車仿真 265.3本章小結(jié) 296總結(jié)與展望 30摘要根據(jù)2021屆中國大學生方程式汽車大賽組委會發(fā)布的比賽規(guī)則及空氣動力學原理，結(jié)合汽車設(shè)計、汽車原理和車身設(shè)計等相關(guān)知識，對福建農(nóng)林大學方程式賽車隊的第四代電動方程式賽車進行車身和空氣動力學套件的設(shè)計。詳細地介紹了車身和空氣動力學套件的設(shè)計方法及過程，并對車身和空套進行了氣動特性分析。對車身運用SolidWorks軟件進行三維建模，在設(shè)計過程中，考慮到歷年來比賽時賽車行駛的最高速度、平均速度和車隊制造工藝水平等客觀情況，同時參照多種車身設(shè)計相關(guān)方法，最終選用在各個關(guān)鍵基準面繪制邊界線和輪廓線后進行凸臺放樣的方法對車身的設(shè)計曲面進行繪制，在滿足實現(xiàn)較多的光滑連接平面的同時實現(xiàn)空氣阻力控制在較低的范圍內(nèi)和整車身實現(xiàn)有較大下壓力的期望。最終完成的車身三維建模，與車架配合度良好，同時滿足大賽規(guī)則中對各個方向的尺寸要求，使用ANSYSFLUENT軟件對模型進行仿真分析，確定車身后續(xù)設(shè)計需要克服的問題，提出加裝空氣動力學套件的工作方案，確定翼型后運用SolidWorks軟件設(shè)計出前翼尾翼和底部擴散器三維模型圖，使用ANSYSFLUENT軟件對加裝空氣動力學套件后整車進行仿真分析，與未加裝前的整車車身進行對比，最終分析結(jié)果顯示，整車（包括車手）在以20m/s的風速正面吹中阻力為256.14N，下壓力為-558N，能夠為賽車發(fā)揮優(yōu)秀的加速性能和高速過彎性能提供良好的基礎(chǔ)條件，實現(xiàn)設(shè)計目的。關(guān)鍵詞：FSEC賽車；車身設(shè)計；CFD仿真分析：空氣動力學套件1.緒論1.1設(shè)計背景中國大學生電動方程式汽車大賽即FSEC（FormulaStudentElectricChina）是由中國汽車工程學會舉辦的一項汽車設(shè)計和制造比賽。參加比賽的各個高校車隊都是主要由與車輛相關(guān)專業(yè)的在校大學生或研究生組成，要求在十個月左右的時間中完成賽車的構(gòu)想、設(shè)計、制造、和開發(fā)，滿足其在加速性、操控性、制動性和安全性等多方面都能夠具有優(yōu)異表現(xiàn)，并且能夠在賽場上完成或部分完成賽事環(huán)節(jié)的比賽。首屆中國大學生電動方程式汽車大賽規(guī)則于2015年在上海舉行，北京理工大學、重慶大學等28所高校參加了比賽，直到2020年，賽事已經(jīng)成功舉辦了六屆，參賽車隊達到59支并在不斷增加中。我校的電動方程式賽車隊于2017年成立，車隊中包括車輛專業(yè)、電氣專業(yè)、市場營銷專業(yè)等多個專業(yè)學生，在2018年設(shè)計制造出車隊第一輛電動方程式賽車并前往珠海參加比賽。2019年，隊員對第二代電動方程式賽車進行了全新的設(shè)計制造，首次應(yīng)用上了空氣動力學套件。2020年，車隊計劃將購置新電機，因此車架整體設(shè)計根據(jù)新電機尺寸有了很大的改變。本文所設(shè)計的為我校第四代電動方程式賽車車身及空氣動力學套件，為實現(xiàn)進一步提高性能，減少制造難度等目的做出努力。1.2設(shè)計目的及意義大學生方程式賽車比賽的飛速發(fā)展使得對其燃油經(jīng)濟性、穩(wěn)定性等提出了更高的要求，國內(nèi)其他較優(yōu)秀的高校賽車隊經(jīng)過多屆比賽經(jīng)歷和設(shè)計已經(jīng)積累了許多經(jīng)驗，在整車的設(shè)計過程和制造過程中應(yīng)用了許多新型技術(shù)，而我校車隊目前還處在成長階段，隊員各方面能力有限，車隊資金也有限，因此本次設(shè)計主要對車身整體進行完整性設(shè)計，為實現(xiàn)減輕車身制造難度做努力，滿足比賽規(guī)則和各項配合要求，同時，對空氣動力學套件進行設(shè)計，以滿足盡可能簡單的設(shè)計制造要求下達到良好的性能效果。因為參加比賽的性質(zhì)決定，本次設(shè)計也需要使賽車達到更良好的性能，以滿足參加比賽在靜態(tài)項目和動態(tài)項目兩方面都爭取取得更好的排名的目的。1.3本章小結(jié)本章介紹了此次設(shè)計的設(shè)計背景，大學方程式賽車比賽的發(fā)展歷史，介紹了其他前輩學校和本校方程式賽車隊的基本情況，對本次設(shè)計目的和意義做出闡述，為促進后續(xù)設(shè)計的進行打好基礎(chǔ)。2車身設(shè)計2.1車身設(shè)計意義及步驟車身的外形設(shè)計是一個重要的汽車技術(shù)水平體現(xiàn)，車身的形狀將會直接影響賽車空氣動力性能，在考慮美學和功能的同時，越來越多的設(shè)計者更注重車身空氣動力學性能。越來越多的參賽車隊花費大量人力和財力研究賽車車身的空氣動力性能，本次車身設(shè)計是基于符合比賽規(guī)則要求的基礎(chǔ)上設(shè)計出一款能與FAFU-4車架配合良好的且相對來說流線性較好的方程式賽車車身。車身設(shè)計過程分為以下三個步驟：1)熟悉比賽規(guī)則中對車身各方面的尺寸等要求，分析車架模型，將車架三維圖的基本尺寸面進行提取與車身設(shè)計需要進行對照，從而方便后續(xù)的車身設(shè)計基本尺寸面的確定。2)學習三維繪圖軟件，尤其注意學習如何繪制光滑平面或曲面，并著手設(shè)計繪圖。3)將繪制出的車身三維圖與車架三維圖進行裝配，觀察是否配合良好，對細節(jié)尺寸進行調(diào)整。2.2三維繪圖軟件的選定目前大眾常用的三維繪圖軟件有CATIA、UG、SolidWorks等等，本次設(shè)計運用的三維繪圖軟件是達索系統(tǒng)下子公司SolidWorks研發(fā)與銷售機的械設(shè)計軟件視窗產(chǎn)品，此軟件是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，有功能強大、易學易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點。SolidWorks軟件能夠為使用者提供多種設(shè)計方案，同時減少設(shè)計過程中的錯誤以滿足提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的，對于新手來說操作簡單，易學易用。但是由于本次使用的SolidWorks軟件為最新2019版本，在設(shè)計和后續(xù)裝配等環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)，因為版本兼容等問題，在與其他零部件裝配時經(jīng)常出現(xiàn)零部件缺失等問題，同時，此版本軟件也會經(jīng)常出現(xiàn)不穩(wěn)定而無法打開，需要重新啟動電腦，給設(shè)計的進度帶來了許多阻礙，這在未來的設(shè)計時應(yīng)該以此為警示，選擇更合適的版本安裝使用。2.3車身三維圖的繪制對SolidWorks軟件具體情況了解清楚后，將車架圖2-1在軟件中打開進行研究。圖2-1車架側(cè)視圖本次FAFU-4大學方程式賽車設(shè)計計劃選用新電機，因此車架設(shè)計相對于前三版的尺寸要小一些，因此配合良好的車身也將會相對于之前版本車身尺寸小一些。車架的繪制與車身相關(guān)的分有六個基準面，從前到后依次為：前隔板支撐基準面、前艙基準面、前環(huán)基準面、駕駛艙基準面、主環(huán)基準面和電池箱基準面，而車身繪制時因為考慮到車架最前端加裝防撞塊，因此基于這六個基準面同時加上防撞塊前基準面。首先運用的繪圖方法是基于考慮車身整體流暢性的原因，所繪制的牽引線條全部選擇3D曲線，在各基準面上以車架尺寸為基礎(chǔ)繪制輪廓線，選中各個基面的輪廓線和各個基面之間的3D牽引線進行凸臺放樣、填充、加厚等操作繪制出第一版車身三維圖，期望車身各個面都為光滑曲面連接而成，繪制出的第一版車身三維模型如圖2-2：圖2-2第一版車身三維圖由圖可以看出與車架貼合良好，但是后續(xù)發(fā)現(xiàn)，因為全是曲線的原因，各個面因為具有各自的曲率，并不能很好地貼合，有一些尺寸縫隙過大在后續(xù)的抽殼成為實體等操作無法修復(fù)，無法形成完整的車身結(jié)構(gòu)，因此此種方法不適用于此版車架。隨后參考了一些論文，也考慮到在參與制作第三版車身時候發(fā)現(xiàn)本校的車身制造所用的模具為全部為學生自己純手工打磨而成，容易造成曲面把握失誤，車身出現(xiàn)左右無法對稱、曲率過度不夠平滑等問題，而如果過分追求光滑曲面則在后續(xù)的加工制造中仍不可避免此類問題，影響加工效率和加工精度。因此結(jié)合經(jīng)驗，第二版車身設(shè)計不再選擇完全曲線的繪制方法，而是采用各段直線連接掃掠繪制模型的方法，同時為了更好地將駕駛艙部分挖空處理，將車身設(shè)計分為以前艙基準面為界分為兩部分，而前艙基準面上兩部分的輪廓線重合，防止前后兩部分分離不能形成一個整體。同時，在前版賽車車身制作時發(fā)現(xiàn)，車身設(shè)計一般只到電池箱，最后的后懸架那部分沒有涉及到，但是裝配時后半部分的固定將會有一些局限性，因此在本版設(shè)計中又向后加長了部分，將后半部分包裹一半，繪制第二版車身三維模型如圖2-3：圖2-3第二版車身三維圖此版車身相對于第一版車身線條更為硬朗，這對后續(xù)的手工打磨模具是有利的，但是因為線條相對來說不夠流暢，雖然連接處尖銳線條都做了倒圓角處理，但仍可能存在過度不光滑等現(xiàn)象，因此在后續(xù)的仿真時需要注意，隨時進行調(diào)整。而所做的倒圓角處理，應(yīng)該滿足大賽規(guī)則，根據(jù)大賽規(guī)則：車身前部所有可能觸碰車外人員身體的邊緣，如車鼻等，都必須為半徑至少為38mm（1.5英寸）的圓角。該圓角的圓心角必須至少45°（從正前方向頂部、底部和側(cè)面等全部有影響的方向測量）【1】。將車身抽殼倒圓角等一系列處理后，重建新的裝配圖，將其與車架裝配，觀察是否有未能完全包裹車架的部分，調(diào)整尺寸，使之與車架形成有效配合，同時考慮到前懸架有部分穿透車身，因此將前懸架裝配到車架后測量尺寸，對車身前懸架部分進行挖孔處理，使得前懸架的跳動等工作不會受到干涉，最后調(diào)整車身透明度，可以更好觀察是否配合良好。結(jié)果如圖2-4所示：圖2-4車身與車架配合良好的正視圖和側(cè)視圖由圖可以看出，車身和車架配合良好，車身設(shè)計滿足基本要求，至此車身的設(shè)計基本完成。2.4本章小結(jié)本章對車身設(shè)計的過程進行了描述，確定了車身設(shè)計流程，按照比賽規(guī)則和車架三維模型圖，選定繪制車身模型方法，通過曲線設(shè)計車身和直線設(shè)計車身的對比，最終確定了運用直線作為掃掠線的設(shè)計方法，繪制出了車身的三維模型，將其與車架裝配調(diào)整，使其與車架配合良好，同時對車身上如露出前懸架部分桿進行了細節(jié)處理，以保證不會影響前懸架的工作，在滿足大賽規(guī)則同時提出了后續(xù)仿真需要著重注意的車身問題。

3車身空氣動力學CFD仿真3.1CFD仿真的意義CFD是ComputationalFluidDynamics（計算流體力學）的縮寫，它是一種運用數(shù)值計算直接對流體方程進行求解，從而分析流動現(xiàn)象。CFD運用計算機，將三維模型經(jīng)過數(shù)值模擬計算，把計算結(jié)果通過圖片等直觀的方式展現(xiàn)出來【2】，從空間和時間兩個維度上，用數(shù)值方法精確地顯示出模擬外流暢情況。車身空氣動力學CFD仿真分析是現(xiàn)代汽車造型設(shè)計過程中不可缺少的方法，在2009年湖南大學的潘小衛(wèi)等通過CFD仿真F1賽車在不同風阻情況下阻力系數(shù)和升力系數(shù)，通過風洞試驗在相同風速情況下得出的實際阻力系數(shù)和升力系數(shù)，兩兩進行對比發(fā)現(xiàn)阻力系數(shù)誤差小于2%而升力系數(shù)誤差小于4%，因此可以說明CFD仿真與風洞試驗得出結(jié)論相差不大，CFD分析具有可行性和可靠性。CFD仿真不僅可以指導車身設(shè)計從而得到較理想的車身外形，并且相對于大型的風洞實驗，這種方法不僅可以節(jié)約不少時間和資金，同時可以模擬任意尺寸，任意比例的物體，模擬的風速可以無限大，流體的介質(zhì)可以千變?nèi)f化【3】，因此，在車身設(shè)計中，賽車開發(fā)合理利用CFD仿真是非常必要且有意義的。3.2ANSYSFLUENT軟件簡介汽車空氣動力學的研究目的是研究汽車行駛時受到的氣動力情況，進行分析從而提高汽車的行駛動力性。目前常用的CFD仿真軟件有ANSYS公司的CFX和FLUENT，另外一個是CD-adapco公司的STAR–CD和STARCCM+。其中ANSYSFLUENT軟件可以提供靈活的網(wǎng)格劃分類型，包括對復(fù)雜幾何模型可采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格解決流體流動問題，支持的網(wǎng)格類型包括三角形、四邊形、四面體、多面體等【4】，它還可以基于流動情況對網(wǎng)格進行加密或稀疏處理。本次設(shè)計基于FLUENT在劃分網(wǎng)格的優(yōu)越性和本人知識能力的局限性，選擇FLUENT進行仿真項目。仿真過程為：1）將三位模型圖導入軟件，進行網(wǎng)格劃分；2）在FLUENT中進行包括定義流體性質(zhì)、邊界條件設(shè)置、執(zhí)行計算求解和細化調(diào)整網(wǎng)格；3）處理查看結(jié)果，選定不同表現(xiàn)方式顯示出各種數(shù)據(jù)情況進行分析。3.3車身CFD仿真為防止仿真劃分網(wǎng)格的數(shù)量太多電腦無法實現(xiàn)操作，將車身的三維模型進行了簡化處理后帶入軟件進行仿真操作，如：去掉懸架雙橫桿臂、主環(huán)等對流場干擾較小的桿件；增加駕駛員簡化模型，保證圓球位置是駕駛員坐入駕駛艙后頭部位置【5】；輪胎按實際尺寸和位置簡化為圓柱體等一系列操作，繪制出簡化模型如圖3-1:圖3-1仿真車身三維圖帶入仿真軟件，建立空氣域，分為加密區(qū)、粗加密區(qū)、精加密區(qū)三層，三層最大尺寸分別劃分為512mm、64mm和32mm，將模型導入后通過布爾操作、空氣域各個面命名、加密等一些類操作后得到劃分網(wǎng)格，在車身邊界等極端位置進行修復(fù)短邊、修復(fù)尖角等操作，減少因模型中的尖角等導致的網(wǎng)絡(luò)集中問題，減少網(wǎng)格劃分難度。同時，為了便于流體分析，同時因為車身是軸對稱的，所以只對整車一半模型進行仿真，以達到減少網(wǎng)格數(shù)量，縮短劃分時間和后續(xù)計算求解時間的目的。網(wǎng)格數(shù)量最終為節(jié)點數(shù)910877個，單元數(shù)8712768，網(wǎng)格整體連續(xù)均勻，過度平順。劃分網(wǎng)格如圖3-2：圖3-2車身網(wǎng)絡(luò)模型根據(jù)以往賽季的數(shù)據(jù)，直線加速測試、八字繞環(huán)測試、高速避障測試和耐久測試四項動態(tài)賽中賽車常用時速為20m/s（72km/h）左右，因此FSAE賽車流場一般為低雷諾數(shù)下的等溫、三維、不可壓粘性流動，因此仿真時選定適用于大多數(shù)工程湍流問題的k-ε模型?！?】控制方程如下：連續(xù)方程?ui?xi動量方程ρ?ui?t+ρ式中：p'-修正壓力；μk-ε模型中湍動能和湍動能耗散方程分別為：湍動能方程k：?ρk?t+ρu湍動能耗散方程ε：?ρε?t+式中：μ-層流粘性系數(shù)；湍流常數(shù)：Cμ=0.09，Cε1=1.44,Cε2=1.92,σk=1.0,σ因此，使用Viscous的k-epsilon2模型對網(wǎng)格進行設(shè)定，設(shè)置入口面（inlet）、對稱面（symmetry）、移動地面（wall_moving）、風洞壁（wall_tunnel）、出口面（outlet），對入口面設(shè)置20m/s的速度，對其他面參考值包括流體性質(zhì)密度等進行設(shè)置。在進行多次約束后，數(shù)據(jù)穩(wěn)定具有參考價值，對車身整體的阻力、升力將進行計算求解。求解結(jié)果阻力值和升力值分別如圖3-3和3-4:圖3-3車身仿真輸出阻力值圖3-4車身輸出仿真升力值由于仿真時只對車身一般進行，車身為軸對稱，各個數(shù)值應(yīng)該乘于二，可以得知，整車車身加四個車輪的阻力71.28N(阻力系數(shù)CD=0.26),升力17.40N(升力系數(shù)CL=3.4本章小結(jié)本章首先介紹了當前常用的CFD仿真軟件，強調(diào)了車身空氣動力學CFD仿真的必要性和優(yōu)勢，通過了解分析，確定了本次設(shè)計仿真所用的軟件為ANSYSFLUENT，通過ANSYS中FLUENT板塊，對車身整體進行了空氣動力學仿真，得出了整車車身阻力、升力及其相關(guān)系數(shù)，分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了車身設(shè)計中目前存在的問題，確定了下一階段的工作目標。

4車身空氣動力學附件設(shè)計4.1空氣動力學套件介紹對于一般的方程式賽車，車架車身，動力系統(tǒng)，底盤懸架，輪胎和制動系統(tǒng)是一輛賽車必備的組成系統(tǒng)，其他部件是為了滿足空氣動力學的需要進行設(shè)計的，這些統(tǒng)稱為空氣動力學套件。如圖4-1為裝配整套空氣動力學套件的三維模型示例。圖4-1裝配整套空氣動力學套件的三維模型示例針對上一章發(fā)現(xiàn)的整車車身升力大等問題，本章以車身設(shè)計空氣動力學附件為途徑，通過設(shè)計加裝前翼尾翼和底部擴散器等部件，為車身整體提供下壓力，以此解決升力大的問題。4.2賽車前翼尾翼設(shè)計4.2.1比賽規(guī)則對空氣動力學裝備的要求長度測量要求：從俯視圖看，不得超過前胎700mm且不得超過后胎250mm；寬度測量要求：從俯視圖看，前輪中心軸線以前部分不得超出前輪最外層垂直面；前輪中心軸線以后且后輪中心軸線以前的部分，前輪最外層垂直面和后輪最外層垂直面的連線；在后輪中心軸線以后部分不得超出后輪最外層垂直面；高度測量要求：頭枕平面以后的部分不得高出地面以上1200mm；頭枕平面以前部分不得高出地面以上500mm。圖4-2空氣動力學套件各方向尺寸要求4.2.2翼型的介紹與選擇方程式賽車的前翼安裝在車身整體的最前部，由主體翼面結(jié)構(gòu)和其他附加結(jié)構(gòu)組成，最前邊的翼片被稱之為主翼，其后上方有攻角的傾斜翼片被稱之為副翼或襟翼。目前設(shè)計前翼尾翼時，翼型的選擇一般都是在已經(jīng)較為成熟的翼型庫里進行挑選，目前常用的翼型庫包括：由美國國家航空咨詢委員會開發(fā)的翼型NACA庫、GOE庫和CH庫，這些翼型庫中有幾千多翼型，大部分為高速翼型，這類翼型常用在高速飛機等上面，也有部分低速翼型，適用于低速而且產(chǎn)生大升力的情況。負升力翼就是將機翼上下翻轉(zhuǎn)，從而在汽車中實現(xiàn)提供下壓力的目的。通常翼型有以下設(shè)定參數(shù)，如圖4-3：圖4-3翼型參數(shù)示意弦長:翼型前端與后端切點間的最大直線距離稱之為弦長攻角：翼弦與來流方向所成的角度展弦比：翼展與平均幾何弦長之間的比值彎度：在翼型剖面作與上下翼面相切的各個內(nèi)切圓，連接這些圓的圓心，連線被稱為中弧線，中弧線與弦線的最大距離被稱之為彎度4.2.3前翼的設(shè)計翼型庫為外國網(wǎng)站，目前因為某種原因無法打開選擇下載翼型，經(jīng)過對車隊前版設(shè)計中翼型的分析和對比，本次設(shè)計選擇CH10作為主翼，GOE430作為副翼。兩翼型情況如圖4-4：圖4-4升阻比隨攻角變化選定主翼攻角4°，副翼攻角30°，為實現(xiàn)產(chǎn)生負升力，將翼型前后排布，對其進行仿真處理，得出主翼翼尖失速程度最小的兩翼型原點排布間隔：360mm、38mm。主翼和副翼排布情況如圖4-5：4-5前翼主翼和副翼排布情況結(jié)合比賽規(guī)則尺寸要求，在三維軟件中繪制出前翼的三維仿真圖如圖4-6：圖4-6前翼三維圖4.2.4尾翼的設(shè)計尾翼與前翼類似，設(shè)計采用有著端板的單一或多元素布局以實現(xiàn)減少翼端損失。尾翼主要下壓力由上層翼板提供，而端板的作用，除了給賽車車翼的安裝固定提供了支撐，同時有著氣動功能。防止來的氣流在翼端發(fā)生泄漏從而減少賽車車翼三維影響，端板也起著減少后輪作用下上升的氣流影響。對于尾翼而言，想要獲得較高的氣動壓力，主要途徑有：增加升力翼的弧度；增加升力翼的表面積等方式，而對于方程式賽車，一般選用的方法是使用組合翼的形式【5】，通過翼型的疊加，獲得更大的翼型攻角，從而實現(xiàn)增加升力系數(shù)的目的。結(jié)合前翼的設(shè)計，定出主翼和兩片副翼的排布位置，后翼根據(jù)尺寸要求設(shè)計為采用三片等展長為980mm。兩片大的端板，將端板周邊進行到圓角處理。設(shè)計出的尾翼三維仿真圖如圖4-7：圖4-7尾翼三維圖設(shè)計完前翼尾翼后，將前翼尾翼三維模型圖導入Fluent中進行仿真處理，分析研究其性能。4.3前翼尾翼的仿真分析前翼尾翼的仿真順序和前面車身仿真順序相似，還是將三維圖先導入FLUENT軟件，建立空氣域，因為前翼尾翼只有兩個部件，所以劃分網(wǎng)格壓力不大，因此空氣域依然設(shè)置為加密區(qū)、粗加密區(qū)和精加密區(qū)，數(shù)據(jù)仍設(shè)置為512mm、64mm和32mm，之后進行劃分網(wǎng)格、將各個面進行命名和設(shè)置等操作，進行仿真得出數(shù)據(jù)。值得注意的是，由于翼型特殊原因，仿真時需要注意在主翼和副翼之間部分需要進行更小尺寸加密，本次輸入尺寸為1mm，最終使得網(wǎng)格質(zhì)量在0.3以上，處于良好狀態(tài)。劃分后的網(wǎng)格如圖4-8：圖4-8前翼尾翼網(wǎng)格圖導出前翼尾翼壓力云圖如圖4-9：圖4-9前翼尾翼壓力圖經(jīng)過500次約束后穩(wěn)定，讀取阻力和升力數(shù)據(jù)如圖4-10、4-11所示：4-10阻力仿真數(shù)值圖4-11升力仿真數(shù)值因為仿真時只對一半進行約束，因此所得數(shù)值應(yīng)該乘于二，可以得出，前翼產(chǎn)生94.58N阻力(阻力系數(shù)CD=0.19)，尾翼產(chǎn)生26.50N阻力（阻力系數(shù)CD=可以得出，前翼產(chǎn)生329.22N升力（升力系數(shù)CL=--0.67），尾翼產(chǎn)生140.92N升力（升力系數(shù)CL=-0.29）。可以看出，雖然前翼尾翼會增加一部分阻力，但是也會為整車身增加很大的升力，其中前翼升阻比為3.48，尾翼升阻比為54.4底部擴散器的設(shè)計擴散器一般安裝在賽車底部，因此通常被稱之為底部擴散器，底部擴散器的設(shè)計需要在滿足比賽規(guī)則的前提下，充分考慮賽車的底部空間，繞開底盤的最低點，。底部擴散器的工作原理為，當氣流從車底前部進入到擴散器，會被各個流道壓縮，使之速度加快，而當流經(jīng)斜坡后又因管道快速擴張，氣流被迫沿著斜坡繼續(xù)運動，最終流出，產(chǎn)生車底低壓，與車身上方形成了壓差。圖4-12底部擴散器工作原理其中底部擴散器內(nèi)的氣體壓力恢復(fù)系數(shù)為：CP=P2而理想氣體壓力恢復(fù)系數(shù)為：Cpi=1?1AR其中：P1—進口壓強；P2—底部擴散器出口壓強；A根據(jù)以上理論，結(jié)合實際情況設(shè)計繪制出底部擴散器三維模型圖如圖4-13所示：圖4-13底部擴散器三維模型圖底部擴散器設(shè)計整體為一個中央主流道，兩個副流道和兩側(cè)流道分別兩側(cè)。底部擴散器將直接與車身裝配，在后續(xù)整車身仿真中視為一個整體進行CFD仿真，與前期未加底部擴散器的單獨車身仿真進行對比，對比數(shù)據(jù)。4.5本章小結(jié)本章介紹了空氣動力學套件的定義和一些常用零部件，對翼型的選定方法進行了介紹，確定了本次前翼尾翼設(shè)計的翼型，根據(jù)比賽規(guī)則，畫出了三維模型圖，并對其進行CFD仿真分析，介紹了底部擴散器的工作原理，繪制出符合要求的底部擴散器三維模型圖。5加裝空氣動力學套件的整車身仿真5.1整車仿真前期處理將前翼尾翼和底部擴散器，根據(jù)規(guī)則要求裝配到車身上，調(diào)整位置。因為所有零部件裝配到一個圖上后，整體成為很大一個裝配體，在后續(xù)仿真中可能出現(xiàn)因劃分網(wǎng)格數(shù)據(jù)太大而電腦無法正常運行仿真軟件，因此在導入裝配體前將整個裝配圖進行盡可能的簡化處理，同時，為了防止仿真時模型邊緣太極端而導致網(wǎng)格失真，質(zhì)量不好，所以將模型邊緣線部分盡量倒圓角在20mm以上。5.2整車仿真初次進行仿真時，未考慮實際，依然用之前的方式劃分網(wǎng)格，分空氣域為加密區(qū)、粗加密區(qū)和精加密區(qū)三層，尺寸分別設(shè)定為512mm、64mm和32mm，初步劃分網(wǎng)格后發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格數(shù)超出一千萬個，對于筆記本而言，此數(shù)值太大，不利于后續(xù)的各個面的設(shè)定和計算仿真。在參考一些論文和視頻資料后發(fā)現(xiàn)，對于加裝空氣動力學套件的整車仿真，可以不需要過于精密的加密區(qū)，在后續(xù)約束時，讓其約束次數(shù)超過一千五百次后，數(shù)據(jù)可認為是具有參考價值的，因此，再次嘗試仿真時，劃分空氣域為最大尺寸為240mm的一層，重復(fù)劃分網(wǎng)格步驟后，得出模型仿真網(wǎng)格如圖5-1：圖5-1加裝空氣動力學套件后整車身仿真網(wǎng)格圖對模型的各個面進行命名，再分別選中前翼、尾翼、車輪和車身加底部擴散器整體進行命名，方便后續(xù)讀取各個部件的數(shù)據(jù)情況。設(shè)置以20m/s的速度從進口面吹向整車，選定k-ε模型，在數(shù)據(jù)進行一千五百次以上約束后，數(shù)據(jù)具有參考價值，可以提取分析。殘差圖如5-2圖5-2殘差圖分析圖表，其中白色線為連續(xù)性方程，三條X、Y、Z方向上的動量方程，k—ε湍動能方程兩個數(shù)據(jù)：k為湍流動能，ε為湍流耗散率。圖中可以體現(xiàn)，在進行約束八百次后，曲線穩(wěn)定具有參考價值。在數(shù)據(jù)穩(wěn)定后分別導出阻力值和升力值如圖5-3、5-4：圖5-3加裝空氣動力學套件的整車身仿真阻力值圖5-4加裝空氣動力學套件的整車身仿真阻力值其中前翼尾翼仿真后帶來的阻力和升力影響已經(jīng)在前一章進行描述，此處不做過多贅述，此處著重分析加裝底部擴散器前后車身受到阻力和升力情況。阻力由71.29N增加到91.00N，升力由17.40N變?yōu)?9.54N，增加了下壓力。導出整車壓力云圖，速度云圖如5-5、5-6：圖5-5加裝空氣動力學套件的整車壓力云圖圖5-6加裝空氣動力學套件的整車壓力云圖將車身整體單獨劃分出顯示的氣體跡線圖如