俞指導(dǎo)老師波設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)()題目：FSAE 方程式碳車(chē)身與后尾翼設(shè)計(jì)與空氣動(dòng)力學(xué)分析院：機(jī) 械學(xué)專(zhuān)業(yè)：車(chē)輛工程班級(jí)：2011 級(jí) 01 班學(xué)號(hào)：201102750124 俞凱南學(xué)生：周鴻波指導(dǎo)提交日期： 2015 年 6 月 8 日I浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）摘要輕量化設(shè)計(jì)與空氣動(dòng)力學(xué)分析是車(chē)身設(shè)計(jì)的兩個(gè)重要內(nèi)容。碳材料具有比強(qiáng)度高和比模量高的優(yōu)點(diǎn)，是設(shè)計(jì)車(chē)身的首選材料。本課題采用碳纖維設(shè)計(jì)車(chē)身外覆蓋件，通過(guò) CATIA 軟件進(jìn)行三維建模，為了方便評(píng)審組現(xiàn)場(chǎng)檢查內(nèi)部結(jié)構(gòu)，本課題實(shí)現(xiàn)了車(chē)身外覆蓋件的快速裝卸。的空氣動(dòng)力學(xué)特性體現(xiàn)了的設(shè)計(jì)水平和性能，其中最關(guān)鍵的兩個(gè)數(shù)據(jù)便是的氣動(dòng)阻力系數(shù)

2、以及的負(fù)升力系數(shù)，本課題依據(jù) FSC 規(guī)則，應(yīng)用 ANSYSICEM 建立模型，再應(yīng)用 ANSYS FLUENT 進(jìn)行計(jì)算和后處理，后處理的結(jié)果將以氣動(dòng)阻力和負(fù)升力的曲線(xiàn)，以及周?chē)脑茍D來(lái)顯示，并分析比較了添加后尾翼前后的升力值變化，為碳車(chē)身覆蓋件的優(yōu)化提供修改方向。碳車(chē)身空氣動(dòng)力學(xué)外流場(chǎng)分析：I浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）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浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）目錄摘要IIAbstractIII目錄IV第一章 緒論01.1 背景研究及意義01.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀11.3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀51.4第二章2.12.2 碳2.3 2.42.5 碳主要研究?jī)?nèi)容7車(chē)身與后尾翼設(shè)計(jì)8輕量化方法8復(fù)合材料特性8車(chē)身設(shè)計(jì)9后尾翼的設(shè)計(jì)13車(chē)身和尾翼的制作142.6 本章小結(jié)18外流場(chǎng)建模19第三章3.1 CFD 分析的原理193.2 建立模型203.3 計(jì)算域的建立213.4 劃分網(wǎng)格213.5 設(shè)定邊界條件243.6 本章小結(jié)25外流

7、場(chǎng)分析26空氣阻力結(jié)果分析26流場(chǎng)分析28與原比較32第四章4.14.24.3 添加尾翼4.4 本章小結(jié)34第五章 總結(jié)與展望36參考文獻(xiàn)38致謝38I浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）第一章 緒論1.1 背景研究及意義大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽（FSAE）是一項(xiàng)面向全世界大學(xué)生的集設(shè)計(jì)制造競(jìng)賽為一體的綜合性工程教育賽事。它由國(guó)際汽車(chē)工程師于 1978 年創(chuàng)辦，至今已有 30 多年的歷史。FSAE 要求參賽隊(duì)伍必須在一年時(shí)間內(nèi)通過(guò)自行設(shè)計(jì)、制造出一輛具有出色的、制動(dòng)、操控性能的小型開(kāi)倉(cāng)式單座方程式。中國(guó)在 2010 年開(kāi)始引入這項(xiàng)賽事，中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)21 所高校在上海舉辦了首屆學(xué)生方程式汽車(chē)大賽。截止 20

8、14 年，共有 61 支燃油組和19 支電車(chē)組參加了 2014 年第 5 屆學(xué)生方程式汽車(chē)大賽。而截止 2014年底，已有 79 支燃油組，31 支電車(chē)組報(bào)名參加 2015 年第 6 屆學(xué)生方程式汽車(chē)大賽,而我校也將參加 2015 年電車(chē)組比賽學(xué)生方程式汽車(chē)大賽已然成為國(guó)內(nèi)最有影響力的大學(xué)生比賽，被譽(yù)為“學(xué)術(shù)界的 Formula1”。與一般汽車(chē)不同，的重量對(duì)能否取得好成績(jī)有著至關(guān)重要的作用，輕量化。與其他車(chē)身材料相比，碳具有強(qiáng)度高、彈性模量大、重量輕等特點(diǎn)，是設(shè)計(jì)車(chē)身的首選材料。在比賽中，良好的速度是最后取勝的關(guān)鍵，在比賽中的直線(xiàn)賽道上的最高速度可達(dá)到 120 km / h ，在如此高的速度下

9、減小取得好成績(jī)，減少能量消耗具有十分重要的意義，這就要求空氣阻力對(duì)于有較小的氣動(dòng)阻力，所以設(shè)計(jì)的車(chē)身就應(yīng)該有良好的氣動(dòng)造型。其次，在高速的狀況下轉(zhuǎn)彎會(huì)產(chǎn)生較大的離心力，如果這時(shí)候車(chē)輪不能提供足夠的向心力，很可能發(fā)生側(cè)滑甚至側(cè)翻，這便要求車(chē)輪與地面之間能有足夠的。眾所周知，增加的重量可以使地面與車(chē)輪之間的變大，但重量變大顯然不是設(shè)計(jì)者的目標(biāo)。重量的增大會(huì)對(duì)的性，制動(dòng)性，靈活性都造成較大的削弱。還有法是使用空氣動(dòng)力學(xué)套件，這種方法能在高速時(shí)增加較少重量的情況下提供較大的下，從而增加的穩(wěn)定性。但空氣給提供下的同時(shí)也會(huì)對(duì)形成氣動(dòng)阻力，提供的下越大，形成的氣動(dòng)阻力也越0浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）大，因此，

10、設(shè)計(jì)者需要在這兩者之間尋找一個(gè)平衡點(diǎn)，既能使達(dá)到較高的速度，也能在過(guò)彎時(shí)有較好的穩(wěn)定性。通常，空氣動(dòng)力學(xué)工程師會(huì)根據(jù)賽道不同調(diào)翼翼角的大小達(dá)到最佳平衡點(diǎn)。為了擁有較小的氣動(dòng)阻力以及高速行駛時(shí)足夠的下，需要利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和渦流理論，通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)分析。利用ANSYS 軟件的 FLUENT 模塊模擬汽車(chē)行駛中的外流場(chǎng)，與傳統(tǒng)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)相比，CFD 分析可以節(jié)約大量的資金，提高研究效率。由此可見(jiàn)，對(duì)的車(chē)身進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)造型，并對(duì)其進(jìn)行 CFD 分析，對(duì)于的氣動(dòng)阻力，下具有十分重要的意義。有利于提高高速行駛的穩(wěn)定性，提高的性能。1.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀目前碳材料的應(yīng)用仍處于起步階段

11、，但已有多家碳廠(chǎng)商和汽車(chē)公司展開(kāi)合作，如東麗公司和戴姆勒公司，西格里和寶馬公司等。寶馬公司 2013年上市的寶馬 i3 的車(chē)身材料采用的便是碳復(fù)合材料。碳復(fù)合材料通過(guò)樹(shù)脂傳遞模塑工藝，將 7-11 層碳材料疊在一起，再根據(jù)需要切割，最后才能變成能夠安裝到寶馬 i3 的零部件。這種新型材料能夠使抗強(qiáng)度提高 50%100%，抗沖擊強(qiáng)度提高 50%100%，界面剪切強(qiáng)度提高 15%。碳進(jìn)一步使汽車(chē)減重 40%，則可以減少能量消耗 40%左右。根據(jù)，碳復(fù)合材料在汽車(chē)工業(yè)的應(yīng)用將迅速增加，未來(lái)幾年的年均增長(zhǎng)率將達(dá)到 31.5%。而對(duì)于空氣動(dòng)力學(xué)，早在 20 世紀(jì)初，人們就試圖通過(guò)乘用車(chē)的造型來(lái)減小的乘用

12、車(chē)的氣動(dòng)阻力。通過(guò)車(chē)身造型設(shè)計(jì)并結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)原理，將車(chē)身曲面設(shè)計(jì)得更符合空氣動(dòng)力學(xué)原理，能夠改變或引導(dǎo)氣流運(yùn)動(dòng)。使迎風(fēng)氣流能夠較容易通過(guò)車(chē)身表面從而達(dá)到減小風(fēng)阻系數(shù)的目的。國(guó)外運(yùn)動(dòng)起步較早，到目前為止已經(jīng)完成了較為成空氣動(dòng)力學(xué)研究。其中最具代表性的是 Formula 1運(yùn)動(dòng)。為了能夠在比賽中獲得優(yōu)異成績(jī)，各支車(chē)隊(duì)都在空氣動(dòng)力學(xué)研究中花費(fèi)了大量的人力物力，充分利用計(jì)算流體力學(xué)的方法和風(fēng)洞試驗(yàn)實(shí)測(cè)的方法提高各方面的性能。就拿 Formula 1 的小車(chē)隊(duì)卡特漢姆車(chē)隊(duì)來(lái)說(shuō)，就有約 40 人專(zhuān)門(mén)從事空氣動(dòng)力學(xué)研究，而這一數(shù)字對(duì)于類(lèi)似于法拉利車(chē)隊(duì)等大車(chē)隊(duì)來(lái)說(shuō)要數(shù)1浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）倍于卡特漢姆車(chē)

13、隊(duì)。有統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明，在德國(guó)大約有 3000余人專(zhuān)門(mén)從事關(guān)于Formula 1 的空氣動(dòng)力學(xué)研究，美國(guó)約有 11000 多人，而在這一數(shù)字則達(dá)到了 20000。圖 1.1 Formula 1車(chē)身發(fā)展軌跡如圖 1.1 中所示，早起的并沒(méi)有過(guò)多的注意空氣動(dòng)力學(xué)，工程師們普遍認(rèn)為發(fā)、底盤(pán)、輪胎和駕駛員是影響性能的 4 個(gè)基本要素。隨著技術(shù)的發(fā)展，在發(fā)、底盤(pán)、輪胎和駕駛員這 4 個(gè)基本要素上的都遇到了瓶頸，這時(shí)候工程師們逐漸把注意力放到如何利用空氣動(dòng)力這一課題上來(lái)，空氣動(dòng)力學(xué)逐漸開(kāi)始發(fā)展了起來(lái)。20 世紀(jì) 60 年代，國(guó)際汽聯(lián)開(kāi)始限制 Formula 1的發(fā)功率和輪胎大小，這也是空氣動(dòng)力學(xué)興起的另一個(gè)重

14、要。20 世紀(jì)70 年代，F(xiàn)ormula 1逐漸開(kāi)始安裝前后負(fù)升力翼和側(cè)裙等空氣動(dòng)力學(xué)套件，雖然當(dāng)時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)才剛剛起步，并沒(méi)有充分起到作用，但還有引起了巨大的反響，能夠合理運(yùn)用空氣動(dòng)力學(xué)的最終可以取得優(yōu)異成績(jī)。隨著國(guó)際汽聯(lián)對(duì)規(guī)則的完善，空氣動(dòng)力學(xué)套件變得更加規(guī)范。到目前為止，空氣動(dòng)力學(xué)套件的發(fā)展已比較成熟，如對(duì)前尾翼的安裝，翼板的角度面積大小都愈來(lái)愈趨于合理，能夠充分利用空氣提供負(fù)。2浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）圖 1.2 Formula 1氣動(dòng)特性演化圖如圖 1.2 所示，各階段的 Formula 1都在車(chē)體局部位置形成了升力，而2003 年威廉姆斯車(chē)隊(duì)開(kāi)發(fā)的新車(chē)則幾乎在車(chē)身的每一個(gè)部位都產(chǎn)

15、生了負(fù)，這也是目前所有車(chē)隊(duì)的共同特點(diǎn)，如圖 1.2.d。而計(jì)算流體力學(xué)（CFD）則對(duì) Formula 1的空氣動(dòng)力學(xué)發(fā)展起了非常關(guān)鍵的作用。CFD 是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而興起的一門(mén)新學(xué)科。與傳統(tǒng)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)相比，CFD 雖比不上風(fēng)洞的精確，但是由于其費(fèi)用少，周期短等優(yōu)點(diǎn)，加之對(duì)流體的運(yùn)動(dòng)有著更為細(xì)致的過(guò)程，CFD 在空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算中有著非常廣泛的應(yīng)用。在國(guó)外歐美一些發(fā)達(dá)，20 世紀(jì) 70 年代以來(lái)，CFD 技術(shù)已得到飛速發(fā)展。通過(guò)航空航天工業(yè)推動(dòng)著 CFD 技術(shù)快速發(fā)展。四十年來(lái)，CFD 在湍流模型，網(wǎng)格技術(shù)，數(shù)值算法等領(lǐng)域取得飛速發(fā)展，給汽車(chē)工業(yè)帶來(lái)了性的變化。CFD 和CAE 軟件一起，使

16、新車(chē)研發(fā)時(shí)所需的上百輛原型車(chē)減少到目前的十幾輛原型車(chē)。3浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）在國(guó)外，在航天航空以及汽車(chē)領(lǐng)域，利用 CFD 技術(shù)進(jìn)行反復(fù)設(shè)計(jì)、優(yōu)化、分析已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)化的過(guò)程?？梢哉f(shuō)是迷你版的 Formula 1，但由于的速度比Formula 1的速度慢，因此需要通過(guò)增大空氣動(dòng)力套件的方法來(lái)獲得較大的負(fù)升力。國(guó)外的一些 FSAE 傳統(tǒng)強(qiáng)隊(duì)如斯圖加特大學(xué)、KIT 等車(chē)隊(duì)的空氣動(dòng)力學(xué)也已較為成熟，已經(jīng)達(dá)到非常高的水平，對(duì)的驅(qū)動(dòng)特性、穩(wěn)定特性、操作特性也已較好地把握,如圖 1.3，圖 1.4 所示。圖 1.3.KIT 車(chē)隊(duì)空氣動(dòng)力學(xué)套件4浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）圖 1.4.斯圖加特大學(xué)車(chē)隊(duì)1.3 國(guó)

17、內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)的車(chē)身覆蓋件的發(fā)展時(shí)間短，經(jīng)歷了鋁合金材料的非承載式車(chē)身，材料的非承載式車(chē)身，碳材料的非承載式車(chē)身的發(fā)展，并開(kāi)始有少數(shù)幾所高校開(kāi)始發(fā)展碳材料的承載式車(chē)身。目前在國(guó)內(nèi) FSAE 賽場(chǎng)上，普遍以碳材料的非承載式車(chē)身為主，并有一些高校打算開(kāi)發(fā)碳單體殼車(chē)身的趨勢(shì)。未來(lái)國(guó)內(nèi)的將出現(xiàn)碳材料的非承載式車(chē)身和單體殼式的承載式車(chē)身并存的情況。在國(guó)內(nèi)，雖然空氣動(dòng)力學(xué)在航空航天領(lǐng)域已取得，但在汽車(chē)領(lǐng)域還比較落后，而Formula 1 的空氣動(dòng)力學(xué)研究幾乎沒(méi)有。但國(guó)內(nèi)已經(jīng)逐步開(kāi)始對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的研究，如上海大眾 333旗下的上海大眾 333 車(chē)隊(duì)和斯柯達(dá)紅牛拉力車(chē)隊(duì)已經(jīng)分別征戰(zhàn) CTCC 中車(chē)錦標(biāo)賽和 C

18、RC 中國(guó)拉力錦標(biāo)賽，已經(jīng)開(kāi)始對(duì)進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)分析，并研發(fā)了一整套空氣動(dòng)力學(xué)套件，從而對(duì)的性能成績(jī)有著很大的提高。但與國(guó)外相比，無(wú)論是從經(jīng)驗(yàn)還是技術(shù)層面來(lái)說(shuō)，都有著較大的差距，尚還在起步階段。5浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）圖 1.5 大眾 333 車(chē)隊(duì)而 CFD 技術(shù)在我國(guó)起步也比較晚，但在各領(lǐng)域依然有著非常廣泛的應(yīng)用。如在航天航空、載人航天工程、新一代火箭的研發(fā)方面都非常依賴(lài) CFD 技術(shù)，我國(guó)第一架?chē)姎鉁u扇式支線(xiàn)飛機(jī)的研制就是 CFD 在我國(guó)應(yīng)用的典范；在船舶方面，要實(shí)現(xiàn)上海在 2015 年總造船能力 120 萬(wàn)噸的目標(biāo)，也必須要借助 CFD 技術(shù)才能完成。隨著中國(guó)汽車(chē)制造業(yè)的逐步壯大，研發(fā)能

19、力的進(jìn)一步增強(qiáng)，勢(shì)必要尋求外部高性能計(jì)算，因此 CFD 的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越重要。目前，采用成商業(yè) CFD 來(lái)進(jìn)行理論分析工作已成為眾多企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的一個(gè)環(huán)節(jié)。以我國(guó)的上海為例，已經(jīng)在電子工業(yè)，機(jī)械工業(yè)，市政建設(shè)工程，化工，汽車(chē)，海洋，體育等行業(yè)都相繼引入 CFD 作為理論分析，并取得了令人矚目的成就。如在電子工業(yè)中通過(guò) CFD 進(jìn)行散熱分析，在市政工程中通過(guò) CFD進(jìn)行通風(fēng)、火災(zāi)等，在機(jī)械工業(yè)中通過(guò) CFD 進(jìn)行汽輪機(jī)、水輪機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械的分析以及鍋爐等燃燒器燃燒分析，在環(huán)保中通過(guò) CFD 進(jìn)行水洗污染模擬等等。從軟件工程的角度來(lái)看，計(jì)算的部分與國(guó)外先進(jìn)水平的差距不大，但在前處理即幾何造型和網(wǎng)格生成技

20、術(shù)，后處理即科學(xué)計(jì)算可視化部分與國(guó)外水平差距較大。開(kāi)展 CFD 技術(shù)的研究仍有大量的工作要做，具體表現(xiàn)為：1）繼續(xù)加強(qiáng)算法方面的研究；6浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）2）研究網(wǎng)格自動(dòng)生成技術(shù)；3）研究科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)；4）運(yùn)用 CFD 技術(shù)開(kāi)展本行業(yè)中的基礎(chǔ)研究。而各支車(chē)隊(duì)的空氣動(dòng)力學(xué)研究也在逐步發(fā)展中，并取得一些。如同濟(jì)大學(xué)翼馳車(chē)隊(duì) 2014 賽季可在 90 km / h 的速度下，下達(dá)到 2100N，阻力減小為 742.2N，升阻比為 2.83。已達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。1.4主要研究?jī)?nèi)容本文將主要從以下幾個(gè)方面展開(kāi)工作：（1）闡述碳車(chē)身的背景及研究意義目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析碳車(chē)身和空氣動(dòng)力學(xué)套件

21、未來(lái)的發(fā)展方向。（2）采用三維軟件 CATIA 設(shè)計(jì)碳車(chē)身外覆蓋件，為了便于現(xiàn)場(chǎng)檢查賽車(chē)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)車(chē)身覆蓋件的快速拆卸，繪制總裝配圖和零件圖。（3）通過(guò) ICEM 進(jìn)行模擬前處理，通過(guò) FLUENT 軟件對(duì)模型進(jìn)行分析，并進(jìn)行后處理得出各個(gè)部分的氣動(dòng)阻力系數(shù)，負(fù)升力系數(shù)，對(duì)比采用后尾翼前后的氣動(dòng)阻力和升力變化。7浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）第二章車(chē)身與后尾翼設(shè)計(jì)2.1輕量化方法在比賽中，的動(dòng)力性能是的。的動(dòng)力性能體現(xiàn)在上就是最高速度和性能。由于出于安全性的考慮，對(duì)的最高速度進(jìn)行了限制，并且在比賽賽道上設(shè)定了繞樁區(qū)，使得最高速度始終不是很高，因此的性能就顯得十分重要。除了增加的動(dòng)力以外，的輕量化

22、也就顯得尤為重要。將進(jìn)行輕量化，除了降低的行駛阻力提高動(dòng)力性能外，還能提高能源使用效率。目前，汽車(chē)輕量化主要有三個(gè)方向：一是使用輕質(zhì)材料，如鋁合金，鎂合金，增強(qiáng)型復(fù)合材料等，相比原來(lái)的普通鋼板，在保證原有強(qiáng)度的情況下，整車(chē)質(zhì)量可以大大降低。二是進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化等，在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的情況下可以減去材料的一部分重量。三是采用新的工藝，如鋁合金在汽車(chē)上的應(yīng)用阻力來(lái)自鋁合金成形技術(shù)以及鋁合金的連接技術(shù)，若采用真空壓鑄或半固態(tài)壓鑄等新型工藝則可以有效解決這個(gè)問(wèn)題。本文主要是通過(guò)應(yīng)用碳復(fù)合材料來(lái)達(dá)到輕量化的目的。2.2 碳復(fù)合材料特性碳復(fù)合材料是一種含碳量高達(dá)

23、90%以上，經(jīng)熱穩(wěn)定氧化處理、碳化處理及石墨化處理而制成的增強(qiáng)型材料。但與一般的碳素材料不同，碳布有明顯的各向異性，單根碳柔軟，可編制成各種織物。碳是一種重量比鋁輕、強(qiáng)度比鋼大、比頭發(fā)絲還細(xì)的。相同體積下，碳的重量?jī)H是鐵的四分之一，甚至比鋁合金還輕，強(qiáng)度卻是鋼的四倍多。在多發(fā)的，碳甚至被用在橋梁和里，以增加其強(qiáng)度。碳最突出的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在它遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其他工程材料的比強(qiáng)度和比剛度。由表 1 可見(jiàn)，碳的比強(qiáng)度和比模量要遠(yuǎn)高出高強(qiáng)鋼和高強(qiáng)鋁合金?！氨葟?qiáng)度”和“比模量”，它們是指材料質(zhì)量的強(qiáng)度和模量。顯然，如果一種材料的密8浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）度小而又能夠提供相當(dāng)高的強(qiáng)度和模量，這種材料便具有高比強(qiáng)度和

24、高比模量，碳正是在這點(diǎn)上體現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢(shì)。表 2.1 碳與其他材料性能的比較材料密度（）抗拉強(qiáng)度（）拉伸模量（E）比強(qiáng)度（/）比模量（E/）高模碳高強(qiáng)鋼 高強(qiáng)鋁合金E-芳綸 49硼1.77.82.72.541.442.364000340210014465031003800280027502402086972.575.5126382240.040.270.050.2312.6151.941529.588162碳的研究開(kāi)發(fā)開(kāi)始于對(duì) 20 世紀(jì) 50 年發(fā)的復(fù)合材料的認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。通常的復(fù)合材料，重量要高出碳復(fù)合材料 1/3 以上，而拉伸強(qiáng)度僅是碳復(fù)合材料的 2/3，模量則

25、更低，不到 1/3，滿(mǎn)足不了當(dāng)時(shí)工業(yè)發(fā)展的要求。因此勢(shì)必要研發(fā)出新的高性能復(fù)合材料作為材料的替代品，滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的需求量。在這種背景下，20 世紀(jì) 60 年代后期，創(chuàng)新型的聚丙烯晴基碳研發(fā)并能夠批量生產(chǎn)。碳復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)難度大，價(jià)格高，但由于碳復(fù)合材料優(yōu)秀的綜合性能，特別是超高的比強(qiáng)度和比模量，滿(mǎn)足了高技術(shù)發(fā)展的要求，因而迅速的進(jìn)入航天航空、體育用品和汽車(chē)行業(yè)。目前，無(wú)論國(guó)內(nèi)外賽場(chǎng)，車(chē)身已普遍采用碳復(fù)合材料制作。碳的比強(qiáng)度和比模量都要遠(yuǎn)超高強(qiáng)鋼和高強(qiáng)鋁合金，在工業(yè)領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)勢(shì)。與其他增強(qiáng)型材料相比，碳還具有耐腐蝕、抗疲勞、耐高溫、膨脹系數(shù)小、穩(wěn)定性高、導(dǎo)電等優(yōu)點(diǎn)。2.3車(chē)身設(shè)計(jì)材料的特

26、性，兼顧空氣動(dòng)力學(xué)特性，利用 CATIA 軟件對(duì)賽本文按照碳車(chē)車(chē)身進(jìn)行了建模。設(shè)計(jì)車(chē)身的原則是根據(jù)車(chē)架確定的，車(chē)身覆蓋件必須要包裹住車(chē)架，并且由于車(chē)身覆蓋件與車(chē)架要求，兩者間距離不能過(guò)大?？紤]到制造以及安裝裝配等因素，本文將車(chē)身覆蓋件分為 7 個(gè)部分，如圖 2.3.1 所示， 分別為：前鼻錐、前艙前部、懸架側(cè)板、前艙后部、側(cè)翼板、主環(huán)后板和側(cè)箱。9浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）圖 2.1車(chē)身覆蓋件設(shè)計(jì)圖考慮到前鼻錐是最先受到氣流沖擊的部分，為減小其所受的氣動(dòng)阻力，將其設(shè)計(jì)為尖形，使其外形更加符合空氣動(dòng)力學(xué)原理。而車(chē)身的快拆將主要運(yùn)用于前艙前部這一部分，這一部分的覆蓋件將可以在靜態(tài)比賽中快速拆下。而懸

27、架側(cè)板上有 4 個(gè)開(kāi)孔，用來(lái)通過(guò)懸架桿，并和懸架一起固定在車(chē)架上。側(cè)箱的主要功能是放置散熱器，因此側(cè)箱的設(shè)計(jì)依據(jù)也按照散熱器的大小進(jìn)行設(shè)計(jì)。除了考慮上述這些因素以外，在設(shè)計(jì)車(chē)身時(shí)還應(yīng)考慮美學(xué)的因素。1浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）圖 2.2 車(chē)身三維圖車(chē)身在造型上仿生鯊魚(yú)的流線(xiàn)型，在視覺(jué)上具有靜則蓄勢(shì)待發(fā)，動(dòng)則迅電驚雷的美感。從車(chē)頭到尾部一氣呵成，整車(chē)協(xié)調(diào)美觀(guān)，曲線(xiàn)流暢自然。車(chē)身覆蓋件使用碳復(fù)合材料通過(guò)真空輔助樹(shù)脂傳遞成型工藝。通過(guò)對(duì)不同碳布及夾心材料組合制造試驗(yàn)，確定了在符合其強(qiáng)度要求下的組合方式，實(shí)現(xiàn)了車(chē)身的輕量化。整個(gè)車(chē)身色彩大部采用碳復(fù)合材料原有的黑色斜紋紋路，減少油漆噴涂，既表現(xiàn)出的速度感

28、與輕靈之美，又有利于減輕車(chē)身質(zhì)量，提高整體性能。1浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）圖 2.3前鼻錐三維圖圖 2.4 前艙檢測(cè)塊三維圖1浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）圖 2.5 前艙后部三維圖2.4后尾翼的設(shè)計(jì)的后尾翼是空氣動(dòng)力學(xué)套件中的重要組成部分，其主要作用就是產(chǎn)生下，在產(chǎn)生下的同事盡量減少增加的氣動(dòng)阻力。后尾翼產(chǎn)生下壓力的原理與飛機(jī)機(jī)翼產(chǎn)生升力的原理基本相似。飛機(jī)機(jī)翼產(chǎn)生升力的原理如圖所示，飛機(jī)機(jī)翼截面形狀，當(dāng)飛機(jī)以較高速度飛行時(shí)，空氣將會(huì)以較高的速度流過(guò)機(jī)翼表面。當(dāng)空氣遇到機(jī)翼前端時(shí)，一部分的空氣將會(huì)從機(jī)翼上方流過(guò)，另一部分的空氣將會(huì)從機(jī)翼的下方流過(guò)，這兩部分空氣將會(huì)在機(jī)翼尾部重新匯合。由于機(jī)翼的上表

29、面比機(jī)翼的下表面更長(zhǎng)，因此流經(jīng)機(jī)翼上表面的空氣擁有比下表面更快的速度，這回導(dǎo)致機(jī)翼的上下表面產(chǎn)生差，從而產(chǎn)生了升力。1浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）圖 2.6飛機(jī)機(jī)翼升力原理圖將飛機(jī)機(jī)翼形狀倒置，就成了后尾翼翼型形狀，當(dāng)然產(chǎn)生的效果也就相反了，將會(huì)形成下。圖 2.7后尾翼三維圖2.5 碳車(chē)身和尾翼的制作本文所述的車(chē)身和尾翼均使用碳材料制作，本節(jié)將探討碳材料制作的工藝和過(guò)程。制造過(guò)程中需要耗材、設(shè)備以及其作用如下：（1）真空泵：真空泵產(chǎn)生的非常高的真空可從真空袋中吸掉所有空氣，并且在整個(gè)復(fù)合材料周期都保持工作狀態(tài)。（2）樹(shù)脂收集器及內(nèi)膽：樹(shù)脂收集器的位置位于復(fù)合材料和真空泵之間，1浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)

30、（）防止復(fù)合材料中的多余樹(shù)脂被吸到真空泵中。樹(shù)脂收集器有可以裝卸的內(nèi)膽（可用紙杯代替），以便樹(shù)脂導(dǎo)流完成之后可以輕松地丟棄收集器內(nèi)的樹(shù)脂。（3）真空表：真空表顯示密封模具系統(tǒng)中的真空水平，當(dāng)真空袋有微小的泄露時(shí)，真空表的指數(shù)是非常重要的依據(jù)。（4）管夾：管夾是用于關(guān)閉樹(shù)脂或者樹(shù)脂從進(jìn)料罐到真空袋工藝復(fù)合材料中的設(shè)備。導(dǎo)流管通常是在樹(shù)脂流到碳布末端之前被。另一個(gè)管夾是當(dāng)樹(shù)脂導(dǎo)流完成，組件之后用于真空導(dǎo)流管，確保有太多的樹(shù)脂從部件中被吸出。（5）硅膠連接器（注膠座）：注膠座形成了真空管和真空袋以及樹(shù)脂進(jìn)料罐和真空袋之間的。用注膠座（替代金屬連接器）是因?yàn)樵跇?shù)脂導(dǎo)流過(guò)程中會(huì)被涂上樹(shù)脂。當(dāng)工藝完成之后

31、，硅膠上的樹(shù)脂可以很容易的被除去，可以再次使用。（6）真空管：真空管連接真空泵、樹(shù)脂收集器和樹(shù)脂進(jìn)料罐到模具密封系統(tǒng)。（7）真空袋薄膜：這種膜用于形成外部空氣被真空泵抽走時(shí)模具的密封系統(tǒng)。這種膜抗，具有與真空密封膠帶的良好貼合性。（8）脫模布：這種薄薄的織物是復(fù)合材料和真空袋之間的第一層可移動(dòng)層。脫模布的能夠吸收多余樹(shù)脂，當(dāng)工藝完成之后拆掉復(fù)合材料時(shí)，提供一個(gè)特別好的網(wǎng)紋表面。（9）導(dǎo)流網(wǎng)：導(dǎo)流網(wǎng)是一種網(wǎng)，目的在于在導(dǎo)流期間促進(jìn)樹(shù)脂。（10）螺旋管：這種螺旋管被用于提供一個(gè)自由通道，使附近的樹(shù)脂可以首先浸入到碳布中去。（11）密封膠帶：這種特殊粘性的、類(lèi)似口香糖的膠帶用于在兩層真空袋薄膜（當(dāng)使

32、用信封式套袋時(shí)）或者真空袋和模具法蘭邊（半套袋式）之間形成完美的密封狀態(tài)。（12）環(huán)氧樹(shù)脂：這種碳復(fù)合材料車(chē)身覆蓋件的方法需要特殊的低粘度樹(shù)脂。不像標(biāo)準(zhǔn)的聚酯樹(shù)脂，環(huán)氧樹(shù)脂是用于該導(dǎo)流工藝的最佳樹(shù)脂。（13）止回閥：用在真空泵和樹(shù)脂收集器之間，防止關(guān)閉真空泵時(shí)，空氣倒流進(jìn)入密封的模具系統(tǒng)。1浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）（14）樹(shù)脂進(jìn)料罐：用于盛放混合劑后的環(huán)氧樹(shù)脂，可以用紙杯代替。各設(shè)備的安裝與連接如圖 2.5.1 所示。圖 2.8 制造工藝系統(tǒng)從左到右依次連接真空泵真空管止回閥真空管樹(shù)脂收集器（收集器內(nèi)用紙杯作為內(nèi)膽收集被吸出的多余樹(shù)脂）真空管注膠座密封模具系統(tǒng)注膠座真空管樹(shù)脂進(jìn)料罐（用紙杯代替

33、）。密封模具系統(tǒng)從下到上依次在模具上放置脫模布碳布脫模布導(dǎo)流網(wǎng)真空袋薄膜，模具與真空袋薄膜之間用密封膠帶密封，螺旋管鑲嵌入注膠座底部的凹槽，螺旋管與注膠座放置在真空袋薄膜與模具之間的密封系統(tǒng)內(nèi)的兩端。1浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）圖 2.9 密封模具系統(tǒng)在準(zhǔn)備階段，首先要用無(wú)絨布在模具表面上涂上一層薄的化學(xué)脫模劑，在等待化學(xué)脫模劑干燥之后，依次添加脫模布、碳布、脫模布、導(dǎo)流網(wǎng)，固定螺旋管和硅膠連接器（注膠座），并在粘貼一圈密封膠帶，蓋上真空袋薄膜，使碳布周?chē)纬擅荛]的環(huán)境。再如圖 2.5.1 所示連接各個(gè)部分，并使各個(gè)部分形成密封的狀態(tài)。在制作階段，先通過(guò)真空泵檢查碳布周?chē)拿芊庑?，具體方法為打開(kāi)

34、真空泵并抽空真空袋，觀(guān)察真空表的指針，等到指針接近 100%，就說(shuō)明碳布周?chē)呀咏婵諣顟B(tài)，或者觀(guān)察有無(wú)油霧從真空泵噴出，若沒(méi)有，則說(shuō)明內(nèi)部真空度已較好。檢查完畢之后，利用真空泵的抽氣效果導(dǎo)入攪拌均勻的樹(shù)脂。所使用的樹(shù)脂為 IN2 環(huán)氧導(dǎo)流樹(shù)脂，需要以 100%樹(shù)脂和 30%劑的比例混合攪拌均勻。等樹(shù)脂將碳布完全浸潤(rùn)，并將多余的樹(shù)脂收集到樹(shù)脂收集器之后，便可以關(guān)閉真空泵，等待樹(shù)脂。等待樹(shù)脂完全后，便可以取出制作好的碳板。碳布可分為 1k、3k、6k、12k 等型號(hào)，根據(jù)編制方式不同又可分為單向布、平紋布和斜紋布，其中型號(hào)里的“k”指的是一根碳紗所含的單絲根數(shù),1浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）如 1K

35、 的碳布里的一根碳紗里所含有 1000 根單絲。一般來(lái)說(shuō)，k 數(shù)越高，強(qiáng)度越大，但成型后的質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)增加。因此，在制造車(chē)身時(shí)，將使用三層碳布，最外一層使用的是 3k 碳布，以提高車(chē)身表面的光潔度，提高表面質(zhì)量。中間一層使用的是 6k 碳布，增加強(qiáng)度的同時(shí)不增加過(guò)多重量。曲面彎曲度大的覆蓋件部分最里一層碳布使用的是 12k 碳布，以增強(qiáng)這些曲面的強(qiáng)度。2.6 本章小結(jié)本章介紹了碳材料特性，以及其的輕量化意義。對(duì)車(chē)身進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并按照安裝和制造要求進(jìn)行了分塊處理，同時(shí)也對(duì)后尾翼進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)后尾翼產(chǎn)生負(fù)升力的原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單闡述。同時(shí)描述了碳復(fù)合材料的制作工藝過(guò)程。1浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）第三章

36、外流場(chǎng)建模3.1 CFD 分析的原理當(dāng)氣流流過(guò)車(chē)身表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩種不同的氣流：湍流和層流。相鄰層流體相互之間的光滑滑動(dòng)稱(chēng)為層流，而湍流則是的、隨機(jī)的。區(qū)分氣流是層流還是湍流的依據(jù)是雷諾數(shù)。雷諾數(shù)以 19 世紀(jì)英國(guó)著名流體力學(xué)雷諾的名字命名，公式為Re = rVL ，其中為流體密度，V 為流場(chǎng)特征速度，L 為流場(chǎng)特m征長(zhǎng)度，為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。當(dāng)雷諾數(shù)較小時(shí)，粘滯力對(duì)流場(chǎng)的影響較大，流場(chǎng)中流速的擾動(dòng)就會(huì)因此減弱，流體運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，趨于層流。反之，當(dāng)雷諾數(shù)較大時(shí)，慣性力對(duì)流場(chǎng)的影響較大，流體運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，容易形成紊亂、不規(guī)則的的湍流流場(chǎng)。邊界層也是流體力學(xué)中一個(gè)重要概念，指的是大雷諾數(shù)流體中粘性力不可忽略

37、緊貼物體表面的薄層。當(dāng)某些粘性很小的流體（例如水或者空氣）以一定的速度通過(guò)物體表面時(shí)，靠近物體表面的流體會(huì)受到粘性剪應(yīng)力而產(chǎn)生一層薄薄的層，這層層緊貼在物體表面，并且與物體表面的相對(duì)速度為 0，這層層便被稱(chēng)為邊界層。氣流可用納維葉-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 為速度，t 為時(shí)間，x 為坐標(biāo)，p 為，為密度（ kg/m3 ）。目前有幾種不同的方式來(lái)計(jì)算流體運(yùn)動(dòng)，但使用最普遍的是如下 3 種：·

38、DNS：直接數(shù)值模擬。這種方法幾乎可以計(jì)算所有的湍流模型，但它需要較小的網(wǎng)格，并且對(duì)計(jì)算機(jī)有很高的要求，計(jì)算時(shí)間也會(huì)大大增加。· RANS：湍流模型。這種方法給出了求解納維葉-斯托克斯方程所需要的大概平均時(shí)間。由于流速場(chǎng)是不斷波動(dòng)的，所以它并不能計(jì)算所有的湍流模型。· LES：大渦模型。這種方法主要用于解決大尺度湍流運(yùn)動(dòng)，但模擬需要較長(zhǎng)時(shí)1浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）間。DNS 和 LES 方法雖然在理論部分已經(jīng)較為成熟，并且適用范圍也較為廣泛，但是由于各方面條件的限制，尤其是計(jì)算條件的限制，這兩種方法在工程中的應(yīng)用還尚未成熟，因此目前在工程中普遍采用的是湍流模型，并且有幾種不

39、同的湍流模型來(lái)對(duì)應(yīng)不同的流場(chǎng)分析，本文采用的是標(biāo)準(zhǔn)-模型。3.2 建立模型本文使用的 FSAE 模型通過(guò)三維制圖軟件 CATIA 建立，與實(shí)車(chē)比例為 1:1，如圖 3.2.1。為了提高模型劃分網(wǎng)格時(shí)的網(wǎng)格質(zhì)量，于是對(duì)模型進(jìn)行一些簡(jiǎn)化：（1）將原有模型中的空腔進(jìn)行封閉處理，防止網(wǎng)格劃分時(shí)出現(xiàn)網(wǎng)格溢出或者沒(méi)有進(jìn)行網(wǎng)格劃分的情況，提高后期計(jì)算精度。（2）對(duì)懸架、主環(huán)、前環(huán)等對(duì)空氣流場(chǎng)干擾較小的的桿件進(jìn)行去除處理。（3）用圓柱體來(lái)代替輪胎進(jìn)行簡(jiǎn)化，將輪胎花紋、輪轂等一系列可能影響網(wǎng)格質(zhì)量的部分進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。圖 3.1模型2浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）3.3 計(jì)算域的建立為了對(duì)模型模擬風(fēng)洞試驗(yàn)，需要在模型周

40、圍建立一個(gè)計(jì)算域，如圖 3.3.1。計(jì)算域的大小主要根據(jù)模型的大小來(lái)確定。為了使得結(jié)果更真實(shí)更有說(shuō)服力，計(jì)算域的建立可以模仿風(fēng)洞的形狀。計(jì)算域的建立應(yīng)遵循以下原則周?chē)耐饬鲌?chǎng)以及引起的外流場(chǎng)變化都應(yīng)該在計(jì)算域之內(nèi)。例如，氣流在通過(guò)車(chē)身時(shí)會(huì)在尾部形成一個(gè)湍流區(qū)，湍流區(qū)域可能比較大，因此，在建立計(jì)算域時(shí)應(yīng)充分考慮此情況，即在車(chē)尾到出口這段區(qū)域必須把湍流區(qū)完全包圍在內(nèi)。如果沒(méi)有把湍流區(qū)完全包圍在內(nèi)，則在計(jì)算上會(huì)出現(xiàn)較大誤差，計(jì)算結(jié)果也是不可靠的。圖 3.2模型與計(jì)算域通常來(lái)說(shuō)，計(jì)算域的進(jìn)口距離前段 23 倍車(chē)長(zhǎng)，計(jì)算域的出口距離賽車(chē)后端 56 倍車(chē)長(zhǎng)，計(jì)算域的寬度為 46 倍車(chē)寬，計(jì)算域的高度為 5

41、 倍車(chē)高。本文所建立的計(jì)算域長(zhǎng)度為 10 倍車(chē)長(zhǎng)，寬度為 5 倍車(chē)寬，高度為 5 倍車(chē)高。賽車(chē)模型前端在計(jì)算域中距離計(jì)算域的進(jìn)口為 3 倍車(chē)長(zhǎng)尾部距離計(jì)算域出口為 6 倍車(chē)長(zhǎng)，左右端距離側(cè)墻都為 2 倍車(chē)寬，頂部距離計(jì)算域頂部為 4倍車(chē)高。3.4 劃分網(wǎng)格建立完計(jì)算域后，應(yīng)對(duì)各部分實(shí)體進(jìn)行定義，包括、出口、墻壁、地面、車(chē)身、輪胎和空氣動(dòng)力學(xué)套件等。之后可對(duì)設(shè)置邊界層，以提真精確度。2浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）完成上述步驟之后，便可對(duì)計(jì)算域及模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將它劃分成更小的網(wǎng)格為后期計(jì)算和分析提供基礎(chǔ)。通常來(lái)說(shuō)，網(wǎng)格劃分的越小，計(jì)算出來(lái)的結(jié)果真實(shí)度越高，但計(jì)算所需的時(shí)間也會(huì)大大增加，這并不是一種

42、高效的方式，因此，網(wǎng)格并不是劃得越小越好。圖 3.3 劃分好網(wǎng)格的計(jì)算域和圖 3.4 車(chē)體表面網(wǎng)格2浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）圖 3.5 地面網(wǎng)格劃分目前在流場(chǎng)分析中所用的網(wǎng)格主要分為兩種：結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相比非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占內(nèi)存小、計(jì)算方便等，但也有難以適應(yīng)復(fù)雜的幾何圖形的缺點(diǎn)。例如對(duì)于車(chē)身這樣的復(fù)雜幾何圖形，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格就難以發(fā)揮其作用，難以滿(mǎn)足貼合性的要求。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格則正好相反，由于其沒(méi)有網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)性限制，因此可以在很大程度上改變網(wǎng)格大小，形狀等要素，靈活性好。但也因如此，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的規(guī)律性較差，因此在計(jì)算時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)的內(nèi)存要求比較高，計(jì)算時(shí)間也會(huì)隨之增加。本

43、文使用的前處理模塊 ICEM 產(chǎn)生的網(wǎng)格便是非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對(duì)于模型的適應(yīng)能力比較強(qiáng)。在劃分網(wǎng)格時(shí)應(yīng)注意在一些敏感區(qū)域的網(wǎng)格大小應(yīng)設(shè)置的小一些，以保證計(jì)算精度，如車(chē)身表面附近，在遠(yuǎn)離模型的區(qū)域網(wǎng)格大小可以設(shè)置的稍大一些，以減少計(jì)算時(shí)間，如計(jì)算域的邊界區(qū)域。本文對(duì)模型的網(wǎng)格大小設(shè)置為 32 或者 16，對(duì)計(jì)算域邊界的網(wǎng)格大小設(shè)置為了 1024。由于周?chē)鷼饬魇苡绊戄^大，并尾部形成了一個(gè)較大的尾流區(qū)，這些區(qū)域也需要提高計(jì)算精度，因此在周?chē)O(shè)置了一個(gè)密度區(qū)，并把密度區(qū)的網(wǎng)格大小設(shè)置為128,如圖 3.4.5。2浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）圖 3.6 ICEM 中設(shè)置密度區(qū)文本是在 windows 7 平臺(tái)下，

44、CPU 為 Intel（R）Core（TM）i7 2.60GHz，內(nèi)存 8.0G，劃分出來(lái)的網(wǎng)格個(gè)數(shù)為 70 萬(wàn)個(gè)。需要通過(guò)網(wǎng)格光順化的方式提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量，需要注意的是，網(wǎng)格質(zhì)量必須高于 0.1，這樣的才具有度，否則度非常低。網(wǎng)格的質(zhì)量越高，計(jì)算的度越高。從圖 3.4.6 來(lái)看，網(wǎng)格質(zhì)量基本大于 0.1，基本符合精度要求。圖 3.7 網(wǎng)格質(zhì)量圖3.5 設(shè)定邊界條件將模型劃分好網(wǎng)格之后，把其導(dǎo)入到 fluent 模塊內(nèi)，效果圖如圖示，其中計(jì)算域左邊界為inlet，右邊界為出口 outlet，底面為底面 ground，剩下的三個(gè)面為壁面 sides。由于模型的雷諾數(shù)較小，因此本文選擇的湍流模型為

45、 k-epsilon 湍流模型。接下來(lái)設(shè)定邊界條件。分析模擬風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，相對(duì)于壁面靜止，空氣相對(duì)于運(yùn)動(dòng)，風(fēng)速大小為 30m/s。邊界條件：設(shè)置為速度，速度大小為 30m/s。出口邊界條件：設(shè)置為出口，大小為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。2浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）計(jì)算域壁面條件：設(shè)置為靜止壁面，并設(shè)置粗糙度為 0。地面滑移條件：設(shè)置為滑移壁面，速度大小為 30m/s。車(chē)身邊界條件：設(shè)置為靜止壁面，選擇無(wú)滑移邊界條件。圖 3.8 FLUENT 效果圖3.6 本章小結(jié)本章主要介紹的是車(chē)身覆蓋件流場(chǎng)分析時(shí)的前處理模塊，簡(jiǎn)單敘述了 CFD 流場(chǎng)分析的原理，以及模型的簡(jiǎn)化。在 ICEM 中對(duì)模型進(jìn)行的一系列設(shè)置進(jìn)行了簡(jiǎn)單

46、介紹，包括計(jì)算域的建立，設(shè)定密度區(qū)，劃分網(wǎng)格，設(shè)定邊界條件等。2浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）第四章外流場(chǎng)分析4.1空氣阻力結(jié)果分析設(shè)置完邊界條件之后，可對(duì)模型設(shè)置監(jiān)視器，包括對(duì)車(chē)身和輪胎的阻力、升力，以及計(jì)算過(guò)程中的公差范圍。當(dāng)計(jì)算過(guò)程中各方程的殘差值小于設(shè)定的公差范圍時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)認(rèn)定計(jì)算已經(jīng)收斂，計(jì)算結(jié)束。本文對(duì)模型在 10m/s、20m/s、30m/s 三種工況下進(jìn)行計(jì)算，并下數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)如下表所示：表 4.1 各工況下氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力車(chē)速10m/s20m/s30m/sCd0.540.530.52氣動(dòng)阻力（N）29.2114.5255.6氣動(dòng)升力（N）29.4117.8264.8迎風(fēng)面積（ m

47、2 ）0.890.890.89從表 4.1.1 中可以看出，隨著速度的增加，所受的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力也大大增加。氣動(dòng)阻力從 10m/s 時(shí) 29.2N 增加到 30m/s 時(shí)的 255.6N，氣動(dòng)升力從10m/s 時(shí)的 29.4N 增加到 30m/s 時(shí)的 264.8N，可見(jiàn)速度對(duì)阻力的影響非常之大。而氣動(dòng)升力在 30m/s 時(shí)可達(dá) 264.8N，這對(duì)是非常不利的，這將使損失一部分的抓地能力，在彎道的過(guò)彎速度和過(guò)彎穩(wěn)定性也將大大影響，從這個(gè)角度也可以看出安裝空氣動(dòng)力學(xué)套件的必要性的空氣阻力系數(shù)為 0.53左右，這個(gè)數(shù)值在開(kāi)輪式中顯得中規(guī)中矩。在比賽中，由于對(duì)最高速度的限制以及在賽道中設(shè)置繞樁區(qū)

48、的限制，使得在比賽中頻率最高的速度段為 60km-70km 之間，因此，本文將重點(diǎn)研究車(chē)速為 20m/s 時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)特性。表 4.2各部位受力情況2浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）總阻力（N）氣動(dòng)升力（N）部位壓差阻力（N）摩擦阻力（N）Cd車(chē)身64.33.167.40.31109.0輪胎45.21.947.10.228.8合計(jì)109.55.0114.50.53117.8從表 4.1.2 中可以看出，無(wú)論對(duì)于車(chē)身還是輪胎，氣動(dòng)阻力中壓差阻力都占了絕大部分，都在 95%左右，其主要還是因?yàn)槟Ｐ陀袔讉€(gè)主要的迎風(fēng)面，輪胎的氣動(dòng)阻力占總氣動(dòng)阻力的 41%左并且對(duì)側(cè)箱做了封閉處理。而右，這是由于氣流在沒(méi)有前

49、鼻翼引導(dǎo)的情況下直接沖擊輪胎所造成的，要進(jìn)一步減小輪胎所受的氣動(dòng)阻力，就需要在前部加裝前鼻翼對(duì)氣流進(jìn)行引導(dǎo)，避免氣流直接沖擊在輪胎的迎風(fēng)面。而的氣動(dòng)升力則主要車(chē)身產(chǎn)生，要克服氣動(dòng)升力所帶來(lái)的影響，需要在上加裝和后尾翼使得在行駛過(guò)程中產(chǎn)生負(fù)升力。圖 4.1.1 為的系數(shù)云圖，幾個(gè)主要產(chǎn)生系數(shù)的部位分別為前鼻錐、前輪前側(cè)、側(cè)箱擋板和后輪前側(cè)等主要迎風(fēng)面，而在其他表面主要產(chǎn)生負(fù)壓力系數(shù)。圖 4.1.2 為的總云圖，可以看出在前環(huán)前面的前倉(cāng)產(chǎn)生的主要還是正壓，并形成了一個(gè)高壓區(qū)，而當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)前環(huán)到達(dá)座艙上方時(shí)，受前艙的影響這部分的氣流將會(huì)向上方，因此相比前艙的會(huì)小了很多，但仍然是正。而在側(cè)箱頂部，由于

50、這部分被側(cè)箱阻擋的氣流向上，因而在側(cè)箱頂部形成一個(gè)較小的負(fù)壓區(qū)。2浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）圖 4.1系數(shù)圖圖 4.2總圖4.2流場(chǎng)分析從圖 4.2.1 上來(lái)看，良好的氣流運(yùn)動(dòng)，但在周?chē)鷼饬髁骶€(xiàn)整體良好，在的中前部基本呈現(xiàn)尾部以及后輪周?chē)鷼饬髁骶€(xiàn)呈現(xiàn)不規(guī)則態(tài)勢(shì)，較為混亂，可能形成渦流區(qū)，并在此區(qū)域形成負(fù)壓，同時(shí)消耗大量能量，增大氣動(dòng)阻力。2浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）圖 4.3周?chē)骶€(xiàn)圖圖 4.2.2 為車(chē)身的速度矢量圖，從圖中可以看出，當(dāng)氣流流向的時(shí)候，首先在前鼻錐處被分成上下兩股氣流。被分離的上氣流在前艙頂部相比來(lái)流速度稍有減慢，并在前艙頂部形成了一個(gè)高壓區(qū)。在經(jīng)過(guò)了前環(huán)區(qū)域之后，上氣流繼續(xù)附著

51、在車(chē)身表面，并且速度迅速加快，使得座艙表面相比前艙有所減弱，但仍是正壓。另一部分被分離的下氣流則流向底部，并在底部形成一個(gè)高壓區(qū)，這也是車(chē)身產(chǎn)生氣動(dòng)升力的主要。之后上氣流將與下氣流在尾部匯合，由于兩部分氣流速度快，因此會(huì)在尾部形成一個(gè)真空區(qū)，并在此區(qū)域伴隨著幾個(gè)渦流。不同的渦流旋轉(zhuǎn)方向不同，相互之間氣流摩擦需要消耗大量的能量，使得這部分的氣流呈現(xiàn)明顯的負(fù)壓，這也是氣動(dòng)阻力的重要來(lái)源。2浙江工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（）圖 4.4 車(chē)身速度矢量圖圖 4.2.3 和圖 4.2.4 分別為車(chē)輪速度矢量俯視圖和車(chē)輪速度矢量正視圖，從這兩張圖中可以清晰地看出氣流遇到車(chē)輪之后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。由于賽事規(guī)則的規(guī)定，必須采用開(kāi)輪式的比賽地，因此車(chē)輪也成了氣動(dòng)阻力的重要部分。當(dāng)氣流垂直沖擊前輪后，氣流將會(huì)向前輪外側(cè)和上側(cè)擴(kuò)散，氣流速度也稍有減弱。由于比賽時(shí)車(chē)輪將處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此對(duì)于周?chē)諝鈦?lái)說(shuō)會(huì)有粘滯效應(yīng)，也就不可避免的會(huì)在前輪后部產(chǎn)生渦流，這部分的渦流呈現(xiàn)也是負(fù)壓。當(dāng)氣流經(jīng)過(guò)前輪上表面之后，氣流速度將會(huì)明顯加快，將會(huì)在前輪后部形成一