俞指导老师波设计说明书

1、浙江工业大学毕业设计（）本科毕业设计()题目：FSAE 方程式碳车身与后尾翼设计与空气动力学分析院：机 械学专业：车辆工程班级：2011 级 01 班学号：201102750124 俞凯南学生：周鸿波指导提交日期： 2015 年 6 月 8 日I浙江工业大学毕业设计（）摘要轻量化设计与空气动力学分析是车身设计的两个重要内容。碳材料具有比强度高和比模量高的优点，是设计车身的首选材料。本课题采用碳纤维设计车身外覆盖件，通过 CATIA 软件进行三维建模，为了方便评审组现场检查内部结构，本课题实现了车身外覆盖件的快速装卸。的空气动力学特性体现了的设计水平和性能，其中最关键的两个数据便是的气动阻力系数

2、以及的负升力系数，本课题依据 FSC 规则，应用 ANSYSICEM 建立模型，再应用 ANSYS FLUENT 进行计算和后处理，后处理的结果将以气动阻力和负升力的曲线，以及周围的云图来显示，并分析比较了添加后尾翼前后的升力值变化，为碳车身覆盖件的优化提供修改方向。碳车身空气动力学外流场分析：I浙江工业大学毕业设计（）AbstractThe two important contents of the racing car body design are lightweight analysis and aerodynamic analysis. The carbon fiber materi

3、al is best for car body materials,which has advantages in higher specific strength and higher specificmodulus. The material of racing car body outer covering parts is carbon fiber materialand the racing car body outer covering parts med by CATIA software. In order tofacilitate the review panel to in

4、spect racing cars structure, this paper has realized rapid loading and unloading of racing car body outer covering parts. The cars aerodynamic characteristic reflects the level of the cars design and performance andthe most two critical data of it are drag coefficient and lift coefficient. According

5、 tothe rules of FSC, this paper established simulation mby ANSYS ICEM andcalculate and post-processing it by ANSYS FLUENT. The results of post-processingwill provided by the curves of aerodynamicand negative lift. In order tooptimize the shape of the racing car body covering parts, this paper will c

6、ompare thenegativeliftofracingcaraddingrearspoilerornot.I浙江工业大学毕业设计（）目录摘要IIAbstractIII目录IV第一章 绪论01.1 背景研究及意义01.2 国外研究现状11.3 国内研究现状51.4第二章2.12.2 碳2.3 2.42.5 碳主要研究内容7车身与后尾翼设计8轻量化方法8复合材料特性8车身设计9后尾翼的设计13车身和尾翼的制作142.6 本章小结18外流场建模19第三章3.1 CFD 分析的原理193.2 建立模型203.3 计算域的建立213.4 划分网格213.5 设定边界条件243.6 本章小结25外流

7、场分析26空气阻力结果分析26流场分析28与原比较32第四章4.14.24.3 添加尾翼4.4 本章小结34第五章 总结与展望36参考文献38致谢38I浙江工业大学毕业设计（）第一章 绪论1.1 背景研究及意义大学生方程式汽车大赛（FSAE）是一项面向全世界大学生的集设计制造竞赛为一体的综合性工程教育赛事。它由国际汽车工程师于 1978 年创办，至今已有 30 多年的历史。FSAE 要求参赛队伍必须在一年时间内通过自行设计、制造出一辆具有出色的、制动、操控性能的小型开仓式单座方程式。中国在 2010 年开始引入这项赛事，中国汽车工程学会21 所高校在上海举办了首届学生方程式汽车大赛。截止 20

8、14 年，共有 61 支燃油组和19 支电车组参加了 2014 年第 5 届学生方程式汽车大赛。而截止 2014年底，已有 79 支燃油组，31 支电车组报名参加 2015 年第 6 届学生方程式汽车大赛,而我校也将参加 2015 年电车组比赛学生方程式汽车大赛已然成为国内最有影响力的大学生比赛，被誉为“学术界的 Formula1”。与一般汽车不同，的重量对能否取得好成绩有着至关重要的作用，轻量化。与其他车身材料相比，碳具有强度高、弹性模量大、重量轻等特点，是设计车身的首选材料。在比赛中，良好的速度是最后取胜的关键，在比赛中的直线赛道上的最高速度可达到 120 km / h ，在如此高的速度下

9、减小取得好成绩，减少能量消耗具有十分重要的意义，这就要求空气阻力对于有较小的气动阻力，所以设计的车身就应该有良好的气动造型。其次，在高速的状况下转弯会产生较大的离心力，如果这时候车轮不能提供足够的向心力，很可能发生侧滑甚至侧翻，这便要求车轮与地面之间能有足够的。众所周知，增加的重量可以使地面与车轮之间的变大，但重量变大显然不是设计者的目标。重量的增大会对的性，制动性，灵活性都造成较大的削弱。还有法是使用空气动力学套件，这种方法能在高速时增加较少重量的情况下提供较大的下，从而增加的稳定性。但空气给提供下的同时也会对形成气动阻力，提供的下越大，形成的气动阻力也越0浙江工业大学毕业设计（）大，因此，

10、设计者需要在这两者之间寻找一个平衡点，既能使达到较高的速度，也能在过弯时有较好的稳定性。通常，空气动力学工程师会根据赛道不同调翼翼角的大小达到最佳平衡点。为了拥有较小的气动阻力以及高速行驶时足够的下，需要利用计算机技术和涡流理论，通过计算流体力学的方法对进行空气动力学分析。利用ANSYS 软件的 FLUENT 模块模拟汽车行驶中的外流场，与传统的风洞实验相比，CFD 分析可以节约大量的资金，提高研究效率。由此可见，对的车身进行空气动力学造型，并对其进行 CFD 分析，对于的气动阻力，下具有十分重要的意义。有利于提高高速行驶的稳定性，提高的性能。1.2 国外研究现状目前碳材料的应用仍处于起步阶段

11、，但已有多家碳厂商和汽车公司展开合作，如东丽公司和戴姆勒公司，西格里和宝马公司等。宝马公司 2013年上市的宝马 i3 的车身材料采用的便是碳复合材料。碳复合材料通过树脂传递模塑工艺，将 7-11 层碳材料叠在一起，再根据需要切割，最后才能变成能够安装到宝马 i3 的零部件。这种新型材料能够使抗强度提高 50%100%，抗冲击强度提高 50%100%，界面剪切强度提高 15%。碳进一步使汽车减重 40%，则可以减少能量消耗 40%左右。根据，碳复合材料在汽车工业的应用将迅速增加，未来几年的年均增长率将达到 31.5%。而对于空气动力学，早在 20 世纪初，人们就试图通过乘用车的造型来减小的乘用

12、车的气动阻力。通过车身造型设计并结合空气动力学原理，将车身曲面设计得更符合空气动力学原理，能够改变或引导气流运动。使迎风气流能够较容易通过车身表面从而达到减小风阻系数的目的。国外运动起步较早，到目前为止已经完成了较为成空气动力学研究。其中最具代表性的是 Formula 1运动。为了能够在比赛中获得优异成绩，各支车队都在空气动力学研究中花费了大量的人力物力，充分利用计算流体力学的方法和风洞试验实测的方法提高各方面的性能。就拿 Formula 1 的小车队卡特汉姆车队来说，就有约 40 人专门从事空气动力学研究，而这一数字对于类似于法拉利车队等大车队来说要数1浙江工业大学毕业设计（）倍于卡特汉姆车

13、队。有统计数字表明，在德国大约有 3000余人专门从事关于Formula 1 的空气动力学研究，美国约有 11000 多人，而在这一数字则达到了 20000。图 1.1 Formula 1车身发展轨迹如图 1.1 中所示，早起的并没有过多的注意空气动力学，工程师们普遍认为发、底盘、轮胎和驾驶员是影响性能的 4 个基本要素。随着技术的发展，在发、底盘、轮胎和驾驶员这 4 个基本要素上的都遇到了瓶颈，这时候工程师们逐渐把注意力放到如何利用空气动力这一课题上来，空气动力学逐渐开始发展了起来。20 世纪 60 年代，国际汽联开始限制 Formula 1的发功率和轮胎大小，这也是空气动力学兴起的另一个重

14、要。20 世纪70 年代，Formula 1逐渐开始安装前后负升力翼和侧裙等空气动力学套件，虽然当时的空气动力学才刚刚起步，并没有充分起到作用，但还有引起了巨大的反响，能够合理运用空气动力学的最终可以取得优异成绩。随着国际汽联对规则的完善，空气动力学套件变得更加规范。到目前为止，空气动力学套件的发展已比较成熟，如对前尾翼的安装，翼板的角度面积大小都愈来愈趋于合理，能够充分利用空气提供负。2浙江工业大学毕业设计（）图 1.2 Formula 1气动特性演化图如图 1.2 所示，各阶段的 Formula 1都在车体局部位置形成了升力，而2003 年威廉姆斯车队开发的新车则几乎在车身的每一个部位都产

15、生了负，这也是目前所有车队的共同特点，如图 1.2.d。而计算流体力学（CFD）则对 Formula 1的空气动力学发展起了非常关键的作用。CFD 是随着计算机技术的发展而兴起的一门新学科。与传统的风洞实验相比，CFD 虽比不上风洞的精确，但是由于其费用少，周期短等优点，加之对流体的运动有着更为细致的过程，CFD 在空气动力学计算中有着非常广泛的应用。在国外欧美一些发达，20 世纪 70 年代以来，CFD 技术已得到飞速发展。通过航空航天工业推动着 CFD 技术快速发展。四十年来，CFD 在湍流模型，网格技术，数值算法等领域取得飞速发展，给汽车工业带来了性的变化。CFD 和CAE 软件一起，使

16、新车研发时所需的上百辆原型车减少到目前的十几辆原型车。3浙江工业大学毕业设计（）在国外，在航天航空以及汽车领域，利用 CFD 技术进行反复设计、优化、分析已经成为标准化的过程。可以说是迷你版的 Formula 1，但由于的速度比Formula 1的速度慢，因此需要通过增大空气动力套件的方法来获得较大的负升力。国外的一些 FSAE 传统强队如斯图加特大学、KIT 等车队的空气动力学也已较为成熟，已经达到非常高的水平，对的驱动特性、稳定特性、操作特性也已较好地把握,如图 1.3，图 1.4 所示。图 1.3.KIT 车队空气动力学套件4浙江工业大学毕业设计（）图 1.4.斯图加特大学车队1.3 国

17、内研究现状国内的车身覆盖件的发展时间短，经历了铝合金材料的非承载式车身，材料的非承载式车身，碳材料的非承载式车身的发展，并开始有少数几所高校开始发展碳材料的承载式车身。目前在国内 FSAE 赛场上，普遍以碳材料的非承载式车身为主，并有一些高校打算开发碳单体壳车身的趋势。未来国内的将出现碳材料的非承载式车身和单体壳式的承载式车身并存的情况。在国内，虽然空气动力学在航空航天领域已取得，但在汽车领域还比较落后，而Formula 1 的空气动力学研究几乎没有。但国内已经逐步开始对空气动力学的研究，如上海大众 333旗下的上海大众 333 车队和斯柯达红牛拉力车队已经分别征战 CTCC 中车锦标赛和 C

18、RC 中国拉力锦标赛，已经开始对进行空气动力学分析，并研发了一整套空气动力学套件，从而对的性能成绩有着很大的提高。但与国外相比，无论是从经验还是技术层面来说，都有着较大的差距，尚还在起步阶段。5浙江工业大学毕业设计（）图 1.5 大众 333 车队而 CFD 技术在我国起步也比较晚，但在各领域依然有着非常广泛的应用。如在航天航空、载人航天工程、新一代火箭的研发方面都非常依赖 CFD 技术，我国第一架喷气涡扇式支线飞机的研制就是 CFD 在我国应用的典范；在船舶方面，要实现上海在 2015 年总造船能力 120 万吨的目标，也必须要借助 CFD 技术才能完成。随着中国汽车制造业的逐步壮大，研发能

19、力的进一步增强，势必要寻求外部高性能计算，因此 CFD 的应用会越来越重要。目前，采用成商业 CFD 来进行理论分析工作已成为众多企业标准化的一个环节。以我国的上海为例，已经在电子工业，机械工业，市政建设工程，化工，汽车，海洋，体育等行业都相继引入 CFD 作为理论分析，并取得了令人瞩目的成就。如在电子工业中通过 CFD 进行散热分析，在市政工程中通过 CFD进行通风、火灾等，在机械工业中通过 CFD 进行汽轮机、水轮机等旋转机械的分析以及锅炉等燃烧器燃烧分析，在环保中通过 CFD 进行水洗污染模拟等等。从软件工程的角度来看，计算的部分与国外先进水平的差距不大，但在前处理即几何造型和网格生成技

20、术，后处理即科学计算可视化部分与国外水平差距较大。开展 CFD 技术的研究仍有大量的工作要做，具体表现为：1）继续加强算法方面的研究；6浙江工业大学毕业设计（）2）研究网格自动生成技术；3）研究科学计算可视化技术；4）运用 CFD 技术开展本行业中的基础研究。而各支车队的空气动力学研究也在逐步发展中，并取得一些。如同济大学翼驰车队 2014 赛季可在 90 km / h 的速度下，下达到 2100N，阻力减小为 742.2N，升阻比为 2.83。已达到国内领先水平。1.4主要研究内容本文将主要从以下几个方面展开工作：（1）阐述碳车身的背景及研究意义目前国内外研究现状，分析碳车身和空气动力学套件

21、未来的发展方向。（2）采用三维软件 CATIA 设计碳车身外覆盖件，为了便于现场检查赛车内部结构，实现车身覆盖件的快速拆卸，绘制总装配图和零件图。（3）通过 ICEM 进行模拟前处理，通过 FLUENT 软件对模型进行分析，并进行后处理得出各个部分的气动阻力系数，负升力系数，对比采用后尾翼前后的气动阻力和升力变化。7浙江工业大学毕业设计（）第二章车身与后尾翼设计2.1轻量化方法在比赛中，的动力性能是的。的动力性能体现在上就是最高速度和性能。由于出于安全性的考虑，对的最高速度进行了限制，并且在比赛赛道上设定了绕桩区，使得最高速度始终不是很高，因此的性能就显得十分重要。除了增加的动力以外，的轻量化

22、也就显得尤为重要。将进行轻量化，除了降低的行驶阻力提高动力性能外，还能提高能源使用效率。目前，汽车轻量化主要有三个方向：一是使用轻质材料，如铝合金，镁合金，增强型复合材料等，相比原来的普通钢板，在保证原有强度的情况下，整车质量可以大大降低。二是进行结构优化，通过计算机对原有结构进行有限元计算、拓扑结构优化等，在满足强度要求的情况下可以减去材料的一部分重量。三是采用新的工艺，如铝合金在汽车上的应用阻力来自铝合金成形技术以及铝合金的连接技术，若采用真空压铸或半固态压铸等新型工艺则可以有效解决这个问题。本文主要是通过应用碳复合材料来达到轻量化的目的。2.2 碳复合材料特性碳复合材料是一种含碳量高达

23、90%以上，经热稳定氧化处理、碳化处理及石墨化处理而制成的增强型材料。但与一般的碳素材料不同，碳布有明显的各向异性，单根碳柔软，可编制成各种织物。碳是一种重量比铝轻、强度比钢大、比头发丝还细的。相同体积下，碳的重量仅是铁的四分之一，甚至比铝合金还轻，强度却是钢的四倍多。在多发的，碳甚至被用在桥梁和里，以增加其强度。碳最突出的优点体现在它远远超出其他工程材料的比强度和比刚度。由表 1 可见，碳的比强度和比模量要远高出高强钢和高强铝合金。“比强度”和“比模量”，它们是指材料质量的强度和模量。显然，如果一种材料的密8浙江工业大学毕业设计（）度小而又能够提供相当高的强度和模量，这种材料便具有高比强度和

24、高比模量，碳正是在这点上体现出了巨大的优势。表 2.1 碳与其他材料性能的比较材料密度（）抗拉强度（）拉伸模量（E）比强度（/）比模量（E/）高模碳高强钢 高强铝合金E-芳纶 49硼1.77.82.72.541.442.364000340210014465031003800280027502402086972.575.5126382240.040.270.050.2312.6151.941529.588162碳的研究开发开始于对 20 世纪 50 年发的复合材料的认识和经验。通常的复合材料，重量要高出碳复合材料 1/3 以上，而拉伸强度仅是碳复合材料的 2/3，模量则

25、更低，不到 1/3，满足不了当时工业发展的要求。因此势必要研发出新的高性能复合材料作为材料的替代品，满足日益增长的需求量。在这种背景下，20 世纪 60 年代后期，创新型的聚丙烯晴基碳研发并能够批量生产。碳复合材料生产技术难度大，价格高，但由于碳复合材料优秀的综合性能，特别是超高的比强度和比模量，满足了高技术发展的要求，因而迅速的进入航天航空、体育用品和汽车行业。目前，无论国内外赛场，车身已普遍采用碳复合材料制作。碳的比强度和比模量都要远超高强钢和高强铝合金，在工业领域具有巨大的优势。与其他增强型材料相比，碳还具有耐腐蚀、抗疲劳、耐高温、膨胀系数小、稳定性高、导电等优点。2.3车身设计材料的特

26、性，兼顾空气动力学特性，利用 CATIA 软件对赛本文按照碳车车身进行了建模。设计车身的原则是根据车架确定的，车身覆盖件必须要包裹住车架，并且由于车身覆盖件与车架要求，两者间距离不能过大。考虑到制造以及安装装配等因素，本文将车身覆盖件分为 7 个部分，如图 2.3.1 所示， 分别为：前鼻锥、前舱前部、悬架侧板、前舱后部、侧翼板、主环后板和侧箱。9浙江工业大学毕业设计（）图 2.1车身覆盖件设计图考虑到前鼻锥是最先受到气流冲击的部分，为减小其所受的气动阻力，将其设计为尖形，使其外形更加符合空气动力学原理。而车身的快拆将主要运用于前舱前部这一部分，这一部分的覆盖件将可以在静态比赛中快速拆下。而悬

27、架侧板上有 4 个开孔，用来通过悬架杆，并和悬架一起固定在车架上。侧箱的主要功能是放置散热器，因此侧箱的设计依据也按照散热器的大小进行设计。除了考虑上述这些因素以外，在设计车身时还应考虑美学的因素。1浙江工业大学毕业设计（）图 2.2 车身三维图车身在造型上仿生鲨鱼的流线型，在视觉上具有静则蓄势待发，动则迅电惊雷的美感。从车头到尾部一气呵成，整车协调美观，曲线流畅自然。车身覆盖件使用碳复合材料通过真空辅助树脂传递成型工艺。通过对不同碳布及夹心材料组合制造试验，确定了在符合其强度要求下的组合方式，实现了车身的轻量化。整个车身色彩大部采用碳复合材料原有的黑色斜纹纹路，减少油漆喷涂，既表现出的速度感

28、与轻灵之美，又有利于减轻车身质量，提高整体性能。1浙江工业大学毕业设计（）图 2.3前鼻锥三维图图 2.4 前舱检测块三维图1浙江工业大学毕业设计（）图 2.5 前舱后部三维图2.4后尾翼的设计的后尾翼是空气动力学套件中的重要组成部分，其主要作用就是产生下，在产生下的同事尽量减少增加的气动阻力。后尾翼产生下压力的原理与飞机机翼产生升力的原理基本相似。飞机机翼产生升力的原理如图所示，飞机机翼截面形状，当飞机以较高速度飞行时，空气将会以较高的速度流过机翼表面。当空气遇到机翼前端时，一部分的空气将会从机翼上方流过，另一部分的空气将会从机翼的下方流过，这两部分空气将会在机翼尾部重新汇合。由于机翼的上表

29、面比机翼的下表面更长，因此流经机翼上表面的空气拥有比下表面更快的速度，这回导致机翼的上下表面产生差，从而产生了升力。1浙江工业大学毕业设计（）图 2.6飞机机翼升力原理图将飞机机翼形状倒置，就成了后尾翼翼型形状，当然产生的效果也就相反了，将会形成下。图 2.7后尾翼三维图2.5 碳车身和尾翼的制作本文所述的车身和尾翼均使用碳材料制作，本节将探讨碳材料制作的工艺和过程。制造过程中需要耗材、设备以及其作用如下：（1）真空泵：真空泵产生的非常高的真空可从真空袋中吸掉所有空气，并且在整个复合材料周期都保持工作状态。（2）树脂收集器及内胆：树脂收集器的位置位于复合材料和真空泵之间，1浙江工业大学毕业设计

30、（）防止复合材料中的多余树脂被吸到真空泵中。树脂收集器有可以装卸的内胆（可用纸杯代替），以便树脂导流完成之后可以轻松地丢弃收集器内的树脂。（3）真空表：真空表显示密封模具系统中的真空水平，当真空袋有微小的泄露时，真空表的指数是非常重要的依据。（4）管夹：管夹是用于关闭树脂或者树脂从进料罐到真空袋工艺复合材料中的设备。导流管通常是在树脂流到碳布末端之前被。另一个管夹是当树脂导流完成，组件之后用于真空导流管，确保有太多的树脂从部件中被吸出。（5）硅胶连接器（注胶座）：注胶座形成了真空管和真空袋以及树脂进料罐和真空袋之间的。用注胶座（替代金属连接器）是因为在树脂导流过程中会被涂上树脂。当工艺完成之后

31、，硅胶上的树脂可以很容易的被除去，可以再次使用。（6）真空管：真空管连接真空泵、树脂收集器和树脂进料罐到模具密封系统。（7）真空袋薄膜：这种膜用于形成外部空气被真空泵抽走时模具的密封系统。这种膜抗，具有与真空密封胶带的良好贴合性。（8）脱模布：这种薄薄的织物是复合材料和真空袋之间的第一层可移动层。脱模布的能够吸收多余树脂，当工艺完成之后拆掉复合材料时，提供一个特别好的网纹表面。（9）导流网：导流网是一种网，目的在于在导流期间促进树脂。（10）螺旋管：这种螺旋管被用于提供一个自由通道，使附近的树脂可以首先浸入到碳布中去。（11）密封胶带：这种特殊粘性的、类似口香糖的胶带用于在两层真空袋薄膜（当使

32、用信封式套袋时）或者真空袋和模具法兰边（半套袋式）之间形成完美的密封状态。（12）环氧树脂：这种碳复合材料车身覆盖件的方法需要特殊的低粘度树脂。不像标准的聚酯树脂，环氧树脂是用于该导流工艺的最佳树脂。（13）止回阀：用在真空泵和树脂收集器之间，防止关闭真空泵时，空气倒流进入密封的模具系统。1浙江工业大学毕业设计（）（14）树脂进料罐：用于盛放混合剂后的环氧树脂，可以用纸杯代替。各设备的安装与连接如图 2.5.1 所示。图 2.8 制造工艺系统从左到右依次连接真空泵真空管止回阀真空管树脂收集器（收集器内用纸杯作为内胆收集被吸出的多余树脂）真空管注胶座密封模具系统注胶座真空管树脂进料罐（用纸杯代替

33、）。密封模具系统从下到上依次在模具上放置脱模布碳布脱模布导流网真空袋薄膜，模具与真空袋薄膜之间用密封胶带密封，螺旋管镶嵌入注胶座底部的凹槽，螺旋管与注胶座放置在真空袋薄膜与模具之间的密封系统内的两端。1浙江工业大学毕业设计（）图 2.9 密封模具系统在准备阶段，首先要用无绒布在模具表面上涂上一层薄的化学脱模剂，在等待化学脱模剂干燥之后，依次添加脱模布、碳布、脱模布、导流网，固定螺旋管和硅胶连接器（注胶座），并在粘贴一圈密封胶带，盖上真空袋薄膜，使碳布周围形成密闭的环境。再如图 2.5.1 所示连接各个部分，并使各个部分形成密封的状态。在制作阶段，先通过真空泵检查碳布周围的密封性，具体方法为打开

34、真空泵并抽空真空袋，观察真空表的指针，等到指针接近 100%，就说明碳布周围已接近真空状态，或者观察有无油雾从真空泵喷出，若没有，则说明内部真空度已较好。检查完毕之后，利用真空泵的抽气效果导入搅拌均匀的树脂。所使用的树脂为 IN2 环氧导流树脂，需要以 100%树脂和 30%剂的比例混合搅拌均匀。等树脂将碳布完全浸润，并将多余的树脂收集到树脂收集器之后，便可以关闭真空泵，等待树脂。等待树脂完全后，便可以取出制作好的碳板。碳布可分为 1k、3k、6k、12k 等型号，根据编制方式不同又可分为单向布、平纹布和斜纹布，其中型号里的“k”指的是一根碳纱所含的单丝根数,1浙江工业大学毕业设计（）如 1K

35、 的碳布里的一根碳纱里所含有 1000 根单丝。一般来说，k 数越高，强度越大，但成型后的质量也会相应增加。因此，在制造车身时，将使用三层碳布，最外一层使用的是 3k 碳布，以提高车身表面的光洁度，提高表面质量。中间一层使用的是 6k 碳布，增加强度的同时不增加过多重量。曲面弯曲度大的覆盖件部分最里一层碳布使用的是 12k 碳布，以增强这些曲面的强度。2.6 本章小结本章介绍了碳材料特性，以及其的轻量化意义。对车身进行了设计，并按照安装和制造要求进行了分块处理，同时也对后尾翼进行了设计，对后尾翼产生负升力的原理进行了简单阐述。同时描述了碳复合材料的制作工艺过程。1浙江工业大学毕业设计（）第三章

36、外流场建模3.1 CFD 分析的原理当气流流过车身表面时，会产生两种不同的气流：湍流和层流。相邻层流体相互之间的光滑滑动称为层流，而湍流则是的、随机的。区分气流是层流还是湍流的依据是雷诺数。雷诺数以 19 世纪英国著名流体力学雷诺的名字命名，公式为Re = rVL ，其中为流体密度，V 为流场特征速度，L 为流场特m征长度，为运动粘性系数。当雷诺数较小时，粘滞力对流场的影响较大，流场中流速的扰动就会因此减弱，流体运动稳定，趋于层流。反之，当雷诺数较大时，惯性力对流场的影响较大，流体运动不稳定，容易形成紊乱、不规则的的湍流流场。边界层也是流体力学中一个重要概念，指的是大雷诺数流体中粘性力不可忽略

37、紧贴物体表面的薄层。当某些粘性很小的流体（例如水或者空气）以一定的速度通过物体表面时，靠近物体表面的流体会受到粘性剪应力而产生一层薄薄的层，这层层紧贴在物体表面，并且与物体表面的相对速度为 0，这层层便被称为边界层。气流可用纳维叶-斯托克斯公式表示：¶ui¶ui¶p¶2uiru j) = - ¶x+ m ¶x ¶x+ fi( ¶t(3.1)¶xjijj式中 u 为速度，t 为时间，x 为坐标，p 为，为密度（ kg/m3 ）。目前有几种不同的方式来计算流体运动，但使用最普遍的是如下 3 种：·

38、DNS：直接数值模拟。这种方法几乎可以计算所有的湍流模型，但它需要较小的网格，并且对计算机有很高的要求，计算时间也会大大增加。· RANS：湍流模型。这种方法给出了求解纳维叶-斯托克斯方程所需要的大概平均时间。由于流速场是不断波动的，所以它并不能计算所有的湍流模型。· LES：大涡模型。这种方法主要用于解决大尺度湍流运动，但模拟需要较长时1浙江工业大学毕业设计（）间。DNS 和 LES 方法虽然在理论部分已经较为成熟，并且适用范围也较为广泛，但是由于各方面条件的限制，尤其是计算条件的限制，这两种方法在工程中的应用还尚未成熟，因此目前在工程中普遍采用的是湍流模型，并且有几种不

39、同的湍流模型来对应不同的流场分析，本文采用的是标准-模型。3.2 建立模型本文使用的 FSAE 模型通过三维制图软件 CATIA 建立，与实车比例为 1:1，如图 3.2.1。为了提高模型划分网格时的网格质量，于是对模型进行一些简化：（1）将原有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。（2）对悬架、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。图 3.1模型2浙江工业大学毕业设计（）3.3 计算域的建立为了对模型模拟风洞试验，需要在模型周

40、围建立一个计算域，如图 3.3.1。计算域的大小主要根据模型的大小来确定。为了使得结果更真实更有说服力，计算域的建立可以模仿风洞的形状。计算域的建立应遵循以下原则周围的外流场以及引起的外流场变化都应该在计算域之内。例如，气流在通过车身时会在尾部形成一个湍流区，湍流区域可能比较大，因此，在建立计算域时应充分考虑此情况，即在车尾到出口这段区域必须把湍流区完全包围在内。如果没有把湍流区完全包围在内，则在计算上会出现较大误差，计算结果也是不可靠的。图 3.2模型与计算域通常来说，计算域的进口距离前段 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

41、 倍车高。本文所建立的计算域长度为 10 倍车长，宽度为 5 倍车宽，高度为 5 倍车高。赛车模型前端在计算域中距离计算域的进口为 3 倍车长尾部距离计算域出口为 6 倍车长，左右端距离侧墙都为 2 倍车宽，顶部距离计算域顶部为 4倍车高。3.4 划分网格建立完计算域后，应对各部分实体进行定义，包括、出口、墙壁、地面、车身、轮胎和空气动力学套件等。之后可对设置边界层，以提真精确度。2浙江工业大学毕业设计（）完成上述步骤之后，便可对计算域及模型进行网格划分，将它划分成更小的网格为后期计算和分析提供基础。通常来说，网格划分的越小，计算出来的结果真实度越高，但计算所需的时间也会大大增加，这并不是一种

42、高效的方式，因此，网格并不是划得越小越好。图 3.3 划分好网格的计算域和图 3.4 车体表面网格2浙江工业大学毕业设计（）图 3.5 地面网格划分目前在流场分析中所用的网格主要分为两种：结构网格和非结构网格。结构网格相比非结构网格，其优点在于结构简单、占内存小、计算方便等，但也有难以适应复杂的几何图形的缺点。例如对于车身这样的复杂几何图形，结构网格就难以发挥其作用，难以满足贴合性的要求。非结构网格则正好相反，由于其没有网格节点的结构性限制，因此可以在很大程度上改变网格大小，形状等要素，灵活性好。但也因如此，非结构网格的规律性较差，因此在计算时对计算机的内存要求比较高，计算时间也会随之增加。本

43、文使用的前处理模块 ICEM 产生的网格便是非结构网格，对于模型的适应能力比较强。在划分网格时应注意在一些敏感区域的网格大小应设置的小一些，以保证计算精度，如车身表面附近，在远离模型的区域网格大小可以设置的稍大一些，以减少计算时间，如计算域的边界区域。本文对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。由于周围气流受影响较大，并尾部形成了一个较大的尾流区，这些区域也需要提高计算精度，因此在周围设置了一个密度区，并把密度区的网格大小设置为128,如图 3.4.5。2浙江工业大学毕业设计（）图 3.6 ICEM 中设置密度区文本是在 windows 7 平台下，

44、CPU 为 Intel（R）Core（TM）i7 2.60GHz，内存 8.0G，划分出来的网格个数为 70 万个。需要通过网格光顺化的方式提高网格划分质量，需要注意的是，网格质量必须高于 0.1，这样的才具有度，否则度非常低。网格的质量越高，计算的度越高。从图 3.4.6 来看，网格质量基本大于 0.1，基本符合精度要求。图 3.7 网格质量图3.5 设定边界条件将模型划分好网格之后，把其导入到 fluent 模块内，效果图如图示，其中计算域左边界为inlet，右边界为出口 outlet，底面为底面 ground，剩下的三个面为壁面 sides。由于模型的雷诺数较小，因此本文选择的湍流模型为

45、 k-epsilon 湍流模型。接下来设定边界条件。分析模拟风洞实验，相对于壁面静止，空气相对于运动，风速大小为 30m/s。边界条件：设置为速度，速度大小为 30m/s。出口边界条件：设置为出口，大小为一个标准大气压。2浙江工业大学毕业设计（）计算域壁面条件：设置为静止壁面，并设置粗糙度为 0。地面滑移条件：设置为滑移壁面，速度大小为 30m/s。车身边界条件：设置为静止壁面，选择无滑移边界条件。图 3.8 FLUENT 效果图3.6 本章小结本章主要介绍的是车身覆盖件流场分析时的前处理模块，简单叙述了 CFD 流场分析的原理，以及模型的简化。在 ICEM 中对模型进行的一系列设置进行了简单

46、介绍，包括计算域的建立，设定密度区，划分网格，设定边界条件等。2浙江工业大学毕业设计（）第四章外流场分析4.1空气阻力结果分析设置完边界条件之后，可对模型设置监视器，包括对车身和轮胎的阻力、升力，以及计算过程中的公差范围。当计算过程中各方程的残差值小于设定的公差范围时，系统就会认定计算已经收敛，计算结束。本文对模型在 10m/s、20m/s、30m/s 三种工况下进行计算，并下数据。数据如下表所示：表 4.1 各工况下气动阻力和气动升力车速10m/s20m/s30m/sCd0.540.530.52气动阻力（N）29.2114.5255.6气动升力（N）29.4117.8264.8迎风面积（ m

47、2 ）0.890.890.89从表 4.1.1 中可以看出，随着速度的增加，所受的气动阻力和气动升力也大大增加。气动阻力从 10m/s 时 29.2N 增加到 30m/s 时的 255.6N，气动升力从10m/s 时的 29.4N 增加到 30m/s 时的 264.8N，可见速度对阻力的影响非常之大。而气动升力在 30m/s 时可达 264.8N，这对是非常不利的，这将使损失一部分的抓地能力，在弯道的过弯速度和过弯稳定性也将大大影响，从这个角度也可以看出安装空气动力学套件的必要性的空气阻力系数为 0.53左右，这个数值在开轮式中显得中规中矩。在比赛中，由于对最高速度的限制以及在赛道中设置绕桩区

48、的限制，使得在比赛中频率最高的速度段为 60km-70km 之间，因此，本文将重点研究车速为 20m/s 时的空气动力学特性。表 4.2各部位受力情况2浙江工业大学毕业设计（）总阻力（N）气动升力（N）部位压差阻力（N）摩擦阻力（N）Cd车身64.33.167.40.31109.0轮胎45.21.947.10.228.8合计109.55.0114.50.53117.8从表 4.1.2 中可以看出，无论对于车身还是轮胎，气动阻力中压差阻力都占了绝大部分，都在 95%左右，其主要还是因为模型有几个主要的迎风面，轮胎的气动阻力占总气动阻力的 41%左并且对侧箱做了封闭处理。而右，这是由于气流在没有前

49、鼻翼引导的情况下直接冲击轮胎所造成的，要进一步减小轮胎所受的气动阻力，就需要在前部加装前鼻翼对气流进行引导，避免气流直接冲击在轮胎的迎风面。而的气动升力则主要车身产生，要克服气动升力所带来的影响，需要在上加装和后尾翼使得在行驶过程中产生负升力。图 4.1.1 为的系数云图，几个主要产生系数的部位分别为前鼻锥、前轮前侧、侧箱挡板和后轮前侧等主要迎风面，而在其他表面主要产生负压力系数。图 4.1.2 为的总云图，可以看出在前环前面的前仓产生的主要还是正压，并形成了一个高压区，而当气流经过前环到达座舱上方时，受前舱的影响这部分的气流将会向上方，因此相比前舱的会小了很多，但仍然是正。而在侧箱顶部，由于

50、这部分被侧箱阻挡的气流向上，因而在侧箱顶部形成一个较小的负压区。2浙江工业大学毕业设计（）图 4.1系数图图 4.2总图4.2流场分析从图 4.2.1 上来看，良好的气流运动，但在周围气流流线整体良好，在的中前部基本呈现尾部以及后轮周围气流流线呈现不规则态势，较为混乱，可能形成涡流区，并在此区域形成负压，同时消耗大量能量，增大气动阻力。2浙江工业大学毕业设计（）图 4.3周围流线图图 4.2.2 为车身的速度矢量图，从图中可以看出，当气流流向的时候，首先在前鼻锥处被分成上下两股气流。被分离的上气流在前舱顶部相比来流速度稍有减慢，并在前舱顶部形成了一个高压区。在经过了前环区域之后，上气流继续附着

51、在车身表面，并且速度迅速加快，使得座舱表面相比前舱有所减弱，但仍是正压。另一部分被分离的下气流则流向底部，并在底部形成一个高压区，这也是车身产生气动升力的主要。之后上气流将与下气流在尾部汇合，由于两部分气流速度快，因此会在尾部形成一个真空区，并在此区域伴随着几个涡流。不同的涡流旋转方向不同，相互之间气流摩擦需要消耗大量的能量，使得这部分的气流呈现明显的负压，这也是气动阻力的重要来源。2浙江工业大学毕业设计（）图 4.4 车身速度矢量图图 4.2.3 和图 4.2.4 分别为车轮速度矢量俯视图和车轮速度矢量正视图，从这两张图中可以清晰地看出气流遇到车轮之后的运动状态。由于赛事规则的规定，必须采用开轮式的比赛地，因此车轮也成了气动阻力的重要部分。当气流垂直冲击前轮后，气流将会向前轮外侧和上侧扩散，气流速度也稍有减弱。由于比赛时车轮将处于旋转状态，因此对于周围空气来说会有粘滞效应，也就不可避免的会在前轮后部产生涡流，这部分的涡流呈现也是负压。当气流经过前轮上表面之后，气流速度将会明显加快，将会在前轮后部形成一