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FSAE赛车车身气动造型设计及其优化

单金良  
【摘要】:大学生一级方程式赛车的飞速发展对其速度、燃油经济性和操纵稳定性等方面提出了更加严苛的要求,赛车的空气动力学特性作为核心影响因素越来越得到重视。具有良好气动特性的赛车不仅能降低气流阻力的影响,而且能获得良好的燃油经济性和操纵稳定性,因此车身的造型设计成为赛车整个设计开发过程中非常重要的环节。同时由于赛车车身造型设计是各种相关理论和研发经验的综合集成的复杂过程,需要一套高质量、高效率的赛车车身设计流程与方法,保证其设计质量。本文即在充分研究了赛车的发展历程以及相关理论知识的基础上,对赛车车身造型设计流程与优化方法进行了深入的研究。首先本文以空气动力学性能良好的理想形体为理论基础,根据赛车整车结构进行车身设计,并以阻力系数和升力系数为目标,对车身造型进行了多目标优化,最终通过风洞实验验证了优化结果的可靠性。本文的主要研究工作有:1)根据现有的理论知识搭建了理想形体数字化模型,并对理想形体进行了 CFD仿真分析;2)在理想形体的基础上,运用CATIA设计软件对赛车车身进行了三维数字化设计,并对原始的车身模型进行了 CFD仿真分析,获得了性能良好的初始造型;3)为能进一步对车身模型进行变形优化,采用Sculptor软件建立了赛车车身的控制变形体,设置了车身变形控制点,建立了控制点多个位移变量,作为后期优化的输入变量;4)通过Isight集成了 Sculptor和Fluent以阻力和升力系数为输出变量,进行联合仿真,获得了输入、输出变量的样本数据;5)根据上述样本数据利用Isight的Approximation模型进行赛车车身造型的多目标优化,获得了最佳的优化结果,对该结果进行了 CFD仿真和风洞实验验证,最终表明两者具有良好的一致性。从本文的研究结果来看,以理想形体为载体进行赛车车身设计,可以充分的保留原始形体优秀的气动特性。依据DOE获得的输入与输出的样本数据建立的近似优化模型能够对某具体的赛车车身造型进行多目标优化,不仅降低了阻力和升力,而且提高设计效率,大幅减小优化工作量。通过扬州大学的风洞实验研究进一步验证了车身气动造型设计流程及其优化方法的正确性。本文最终优化结果显示,赛车车身阻力系数降低了 15.64%,升力系数绝对值下降了23.49%,故此方法对大学生方程式赛车的车身设计工作具有一定的指导作用。


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