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基于ISIGHT的FSAE赛车前后翼气动特性分析及优化

谢显晨  
【摘要】:随着大学生方程式汽车(FSAE)大赛的快速发展,其空气动力学的特性越来越受到各大高校车队的重视。由于FSAE比赛赛道具有宽度窄、弯道多、直道短等特点,因而设计出具有良好负升力的赛车,可以提高赛车的最大过弯速度、制动性能和在各类极限工况下的操纵稳定性,大幅提升比赛成绩。因此,开展对FSAE赛车空气动力学的研究具有重要的意义。本文以扬州大学FSAE赛车为研究对象,在阅读相关文献资料的前提下,研究工作如下依次展开。首先,介绍了赛车空气动力学与CFD的基本理论,深入研究了空气动力学对赛车动力性及操纵稳定性的影响。通过CATIA软件建立FSAE赛车初始三维模型,将模型导入ICEM软件中进行网格划分,利用Fluent软件对其进行CFD数值仿真分析,并对其气动性能进行评判分析。其次,针对赛车存在负升力不足的问题,通过加装前后翼的方法增加赛车负升力。在充分研究了翼型的基本参数及其气动特性的基础上,结合FSAE赛事规则要求和前后翼负升力的匹配,利用Profili软件对比分析多种常用翼型的气动特性,从而确定了前后翼的翼型和组合结构形式。利用CATIA软件建立了赛车前后翼的初始参数化模型,进一步研究了加装前后翼赛车模型的气动特性。最后,由于FSAE比赛对气动装置的大小和安装位置有严格的限制,为了在有限的设计空间内获取更大的负升力,针对赛车前后翼翼片组合的结构参数进行优化。利用ISIGHT软件搭建仿真(DOE,Design of Experiments)试验设计平台,集成 CATIA、ICEM、Fluent软件进行联合仿真,利用Approximation模型对翼片攻角和翼间间隙进行多目标优化。根据优化结果对模型更新,并对整车CFD数值仿真分析,对比分析优化前后赛车整车气动性能,并针对整车模型中的不足之处进一步改进。利用圈速仿真软件Optimum Lap,依据湖北襄阳FSAE比赛赛道建立赛道模型,进行整车性能仿真模拟分析。从本文的研究结果来看,赛车加装气动套件后,赛车负升力得到大幅提升。通过ISIGHT软件对赛车前后翼翼片攻角和翼间间隙进行多目标优化后,更加有效的提高了赛车的升阻比,改善了赛车的操纵稳定性,同时也提高了设计效率,大幅度减小了优化工作量。因此,此方法对于FSAE赛车空气动力学套件优化设计工作具有一定的指导意义。


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