大学生方程式赛车车身设计流程简述

(西华大学西华学院 四川 成都 610039)

一、结构方案选定与设计目标设定

(一)结构方案的选定

方案的选择涉及到经费、工艺、工时等问题，目前参赛的赛车车身结构方案分为两类：一是采用单体壳(Monocoque)，这种结构可以在保证足够强度的同时又极大地降低了整车质量，但它的造价太过昂贵，故普及度低。二是采用车架作为框架来承受整车的大部分载荷，而在车架上安装车身覆盖件，此方案成本较低，为大多数车队所采用，本文也以这种方案作为说明。

(二)设计目标的设定

车身的设计目标主要在强度、轻量化、安全性、气动特性这几个方面。为满足强度和轻量化要求目前几乎所有车队都采用碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料制作车身，该材料具有比重小、强度高、耐腐蚀等优良特性。

车身的气动特性是车身另一个非常重要的功能要求，良好的气动特性要求有较小的空气阻力，有助于降低赛车的功耗，提升行驶速度。车身的气动特性目标可根据赛车的动态性能要求来设定，也可同往年的动态表现或与表现优异的赛车作比较来设定。

二、模型建立与初步调整

(一)车身三维模型建立

车身曲面要求过渡平顺，随着计算机辅助工程(Computer Aided Engineering,CAE)的发展，车身的三维建模等工作变得方便快捷。目前使用相对较多的是CATIA三维建模软件的曲面设计模块，通过该模块中的创成式外形设计(Generative Shape Design)与自由曲面(Freestyle Surface)可轻松实现曲面的编辑和曲面光顺，这极大地提高了工作效率。

车身的尺寸要符合大赛规则要求，因车身是覆盖件，故在建立车身模型时要以车架的几何参数作为参照，可在软件中调出车架的三维模型，分别从正视、侧视、俯视的角度进行建模。在开始建模时可进行草图设计，不必表现所有细节，可先分别在车头、驾驶舱、车尾这几个部位勾勒几根空间曲线，构造曲线时，要分析其合适的位置关系，要求能体现一定的车身造型并符合悬架等其他部件的布置，造型可以一些理想形体为灵感设计[1]。基于这些曲线便可构建造型曲面，通过曲面表现车身基本形态，尽量不要出现曲率变化过大的曲面。为方便后续的改动，在驾驶舱和车尾部分的曲面尽量简单平顺。建立基本形态后，对曲面进行划分，尽可能地表达车身曲面细节。因车身是对称件，故可先构建一半的曲面，之后通过对称功能便可得到整个车身，这样可大大节省建模时间。

(二)模型的初步修整

车身模型建立后要进行修整，修改内容较简单，主要是为了修改其中的一些不合理的曲面，如过渡不平滑或有尖点的曲面，对于可能有质量问题但肉眼不易识别的曲面可采用曲面CATIA曲面设计模块中的分析功能进行检测。另外也要进行初步的装配检测，检测方法为在装配情况下车身是否与其他部件存在干涉问题，如有干涉且在其他部件的安装位置不可调的情况下便需要改动车身模型。

三、模型的仿真与优化

在优化阶段需要对车身进行空气动力学优化设计，主要对车身进行细节的修改。目前优化方法主要有基于三维模型的计算机仿真优化与基于实体模型的风洞实验，前者通过相关计算机仿真软件来计算车身的外部流场情况，并由仿真结果在CATIA中对三维模型进行修改，这种方法即时性强且成本低。后者则通过在风洞中对1:1或1:2的实体模型进行实验并修改实体模型。风洞实验成本太过高昂，目前只有极少数的车队采用该方法[2]。

(一)车身空气动力学仿真

目前使用较广泛的商用CFD软件是Fluent，该软件包含十分丰富且经过工程确认的物理模型，并采用多种求解方法和多重网格加速收敛技术，使得Fluent能达到最佳的收敛速度和求解精度[3]。

1.模型导入及流体域的设置

为了贴近实际，在仿真时需要导入整车模型，另因Fluent软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，因此为了提高计算效率和计算精确度需要对不必要的整车内部部件如电池系统、制动系统等进行删除处理，另外需导入人体简化模型，导入完成后需对模型进行修复，确保封闭，随后使用Symmetry命令与布尔运算，保留一半的模型进行仿真。

模型处理完毕后便设置流体域，流体域进口距赛车前端约2-3倍车长，出口距车尾约6-7倍车长，高度为整车高度的6-7倍，宽度为整车宽度的5-7倍[4]。

2.网格划分

网格划分是将模型转换为网格的集合，通过计算每个网格的物理参数来获得物体表面的流体运动情况，因此网格的质量对仿真的结果有很大的影响。网格越小，计算结果越精确，但计算量与计算时间大大增加。此外网格的形状结构也会影响计算结果。在车身的外流场分析中，因车身曲面的不规则性我们常采用非结构性网格，网格数大约在300-400万之间，网格质量一般不低于0.1[2]。

3.边界条件的设置与物理模型选择

边界条件应该尽可能与实际情况相符合，如流体的流速等。物理模型选用Realizable k-ε湍流模型。设置求解步数为1000，并计算。

4.仿真结果查看

当计算结果收敛，则表示计算完成，此时可通过速度分布云图、流线图等查看模型周围的流场情况、压力分布情况、速度分布情况以及阻力系数与升力系数等。

(二)车身模型的优化

根据仿真结果与设定目标进行对比，如未达到理想目标则可通过两种方式进行改善：一是对车身的部分区域进行修改，可查阅相关资料修改。二是通过加装空气动力学套件来减少轮胎所受的空气阻力和提高负升力。空套的设计分析可参照文献[5]。

四、结论

高效的车身设计流程有助于节省工时，提高车身设计质量。本文针对方程式赛车车身的设计流程做了概述，对车身设计结构方案选择和设计目标做了较详细地讲解，着重对三维建模和仿真做了讲解，本文所讲述的设计过程在标准设计过程基础上加入了自我的实践总结，由设计出的赛车表现来看，此过程正确，对初次设计者有一定的参考意义。

【参考文献】

[1]江涛.汽车车身气动造型设计优化[D].长沙:湖南大学,2011.

[2]贺晓斌.大学生方程式赛车车身气动造型的整体优化设计[D].太原:中北大学.2016.

[3]唐家鹏.FLUENT14.0超级学习手册[M].北京:人民邮电出版社,2013.4(2013.7重印).

[4]Robert Weingart。On-Track Testing as a Validation Method of Computational Fluid Dynamic Simulations of a Formula SAE Vehicle[D]．Lawrence：the University of Kansas，2015

[5]朱发旺.FSC赛车车身空气动力学特性分析研究[D].太原:中北大学.2017.