F1賽車外形縮比設(shè)計(jì)方法

崔博然+林海英

摘 要：為了更快地設(shè)計(jì)F1賽車外形，設(shè)計(jì)并制造比例為1∶23的F1賽車縮比模型，通過空氣動(dòng)力學(xué)軟件以及有限元軟件分別對模型的空氣動(dòng)力學(xué)特性以及強(qiáng)度進(jìn)行了校核，根據(jù)仿真結(jié)果對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行初步優(yōu)化。根據(jù)初步優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案制造縮比模型，對制造得到的整車縮比模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)和底盤測功試驗(yàn)。結(jié)果表明，初步優(yōu)化的模型在空動(dòng)特性上存在一定不足，據(jù)此對設(shè)計(jì)方案做進(jìn)一步的完善，進(jìn)而得到更加優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：F1縮比模型；空氣動(dòng)力學(xué)；懸架強(qiáng)度；風(fēng)洞試驗(yàn)；底盤測功機(jī)

中圖分類號：U469.6+96文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.05.08

F1賽車近年來成為競速愛好者們的新寵，而空氣動(dòng)力學(xué)對F1賽車性能的影響具有決定性的作用，因此如何快速設(shè)計(jì)出具備優(yōu)異空氣動(dòng)力學(xué)特性的F1賽車成為各大賽車制造商關(guān)心的問題。以往很多研究都針對F1賽車的氣動(dòng)特性展開[1-3]，進(jìn)而通過研究結(jié)果為其外形設(shè)計(jì)提供參考信息。通常進(jìn)行軟件模擬之后的結(jié)果大多直接用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)到制造出一輛完整的F1賽車，是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，需要耗費(fèi)大量時(shí)間，在進(jìn)行實(shí)車測試之后，極有可能還需要進(jìn)行完善修改，這就使整個(gè)制造周期非常漫長，成本也很高。一種快速、方便、高效率、低成本的設(shè)計(jì)方法亟待被開發(fā)。本文提出了通過模擬進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì)，制造整車縮比模型進(jìn)行各類測試，得到反饋數(shù)據(jù)后用于優(yōu)化設(shè)計(jì)這樣一個(gè)設(shè)計(jì)流程，可以在外形設(shè)計(jì)方面縮短設(shè)計(jì)周期，降低成本，提高效率。

1 賽車縮比模型空氣動(dòng)力學(xué)和懸架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1 空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化

賽車縮比模型的空氣動(dòng)力學(xué)模擬是在制造縮比模型之前進(jìn)行的，根據(jù)原始設(shè)計(jì)方案先進(jìn)行縮比模型的軟件建模，然后通過模擬軟件對賽車模型進(jìn)行初步的優(yōu)化，根據(jù)初步優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案制備實(shí)體縮比模型，再對制備的真實(shí)模型進(jìn)行各類試驗(yàn)測試，得到數(shù)據(jù)參數(shù)。這樣的設(shè)計(jì)方法使賽車外形的設(shè)計(jì)周期縮短，效率提高。

如圖1所示，初步設(shè)計(jì)車身形狀為水滴狀，改變前翼的角度以覆蓋更多的區(qū)域，同時(shí)在尾翼添加一個(gè)菱形的突起。經(jīng)過軟件模擬之后發(fā)現(xiàn)，這種形狀的翼板會顛倒氣流，進(jìn)而容易在風(fēng)洞中形成更多的渦流，賽車在行駛過程中會出現(xiàn)抖動(dòng)。

考慮上述設(shè)計(jì)車型有重量大、翼板形狀差等問題，對其設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了修正，如圖2所示。車身的形狀改變?yōu)楦蛹?xì)長的牙膏狀，這比之前的水滴狀車身減少了很大一部分體積，重量隨之下降。前翼和后翼也作了一定改變，同時(shí)在車身兩側(cè)加了側(cè)艙。模擬之后發(fā)現(xiàn)這種形狀的前后翼并不會給空氣動(dòng)力學(xué)特性帶來較大提高，而且側(cè)艙與車身之間容易出現(xiàn)縫隙。因此還需對車身外形進(jìn)行改進(jìn)。

針對上述側(cè)面艙的問題，將其改為翅膀狀，前后翼的形狀也類似翅膀，車身仿照火箭的形狀，如圖3所示。在模擬過程中發(fā)現(xiàn)，單片的“翅膀”無法形成側(cè)艙，因此將“翅膀”的底部加厚，這樣可以有效減少渦流。

為了進(jìn)一步優(yōu)化車身形狀，在車身上添加了翅膀的形狀，從而可以將側(cè)艙加以簡化，同時(shí)駕駛艙也得到了簡化。抬高賽車前端，加厚了主車身與前艙之間的連接，使前翼足夠穩(wěn)定且可以覆蓋足夠大的區(qū)域，如圖4所示。但是該車身仍然較重，不利于快速行駛。

進(jìn)一步優(yōu)化車身外形，將側(cè)艙設(shè)計(jì)成梭形，賽車底部空間更大，前艙和前翼部分所占空間減少，如圖5所示。該車型的空氣動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果良好，最終確認(rèn)為縮比模型的初步優(yōu)化車型。

其中最后兩種車型的模擬數(shù)據(jù)對比見表1，可以看到經(jīng)過側(cè)艙形狀的優(yōu)化之后，賽車模型的氣動(dòng)阻力有所下降，氣動(dòng)特性有所改善。

經(jīng)過多次模擬，發(fā)現(xiàn)賽車模型中存在的問題并逐一解決，使設(shè)計(jì)方案不斷完善。在最終得到較為完美的設(shè)計(jì)方案之后，進(jìn)行實(shí)體模型的制作，隨后對實(shí)體模型進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)模擬過程中沒有發(fā)現(xiàn)的問題，進(jìn)而繼續(xù)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。

1.2 懸架系統(tǒng)強(qiáng)度優(yōu)化

空氣動(dòng)力學(xué)模擬可以得到賽車車身形狀、前后翼形狀及排布對于賽車行駛過程中空氣動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的影響，指導(dǎo)設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)。對于支撐系統(tǒng)而言，其強(qiáng)度的校核才是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在整車縮比模型設(shè)計(jì)過程中，懸架系統(tǒng)的形狀設(shè)計(jì)對于其強(qiáng)度的影響是十分重要的。由于縮比模型和實(shí)際賽車在材料上的不同，導(dǎo)致其材料的參數(shù)差異，因此懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以考慮形狀為主。如圖6所示，這類懸架形狀會導(dǎo)致中部撓度過大，應(yīng)力集中，極容易出現(xiàn)斷裂，必須進(jìn)行優(yōu)化。

改變上述懸架與車身的連接方式，使形狀變?yōu)榉叫?，如圖7所示。從模擬結(jié)果來看，該種懸架強(qiáng)度更高，變形量小。但受限于加工工藝，該種懸架也必須進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

為了減輕重量，同時(shí)又能很好地支撐車身，設(shè)計(jì)了如圖8所示的懸架。該懸架每側(cè)有三根桿，可以有效支撐車身，同時(shí)又保證只占很小的體積。但由于同樣的原因，這樣的形狀在采用3D打印技術(shù)加工時(shí)會出現(xiàn)一些問題而導(dǎo)致加工困難，并且桿的加入導(dǎo)致懸架形狀復(fù)雜，在行駛過程中容易出現(xiàn)湍流，因此該懸架同樣需要進(jìn)行優(yōu)化。

經(jīng)過多次改進(jìn)之后的懸架如圖9所示，這類懸架雖然重量較大，但是形狀不容易發(fā)生改變，能夠承受較大載荷。而且這樣的懸架容易加工，便于連接，所以最終選擇該類型懸架作為縮比模型的懸架。

2 賽車縮比模型制備方法

本文主要采用兩種方法來制備各部分零件，即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與數(shù)控機(jī)床技術(shù)以及3D打印技術(shù)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，其將繪圖、分析、處理和仿真等功能集于一身，使設(shè)計(jì)時(shí)間大大縮短，降低了設(shè)計(jì)的周期和成本，大幅提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量[4]。同樣的，3D打印技術(shù)在近幾年內(nèi)迅速發(fā)展，在工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸擴(kuò)大，具有快速、可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀等優(yōu)點(diǎn)[5]。根據(jù)本文中縮比模型各部分零件的特點(diǎn)，針對性地選擇上述兩種方法進(jìn)行制備，具體分述如下。

2.1 模型車身

選擇工程塑料作為縮比模型車身的原材料，采用上述的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)完成車身形狀的基礎(chǔ)上，通過電腦操控機(jī)床進(jìn)行切割。在切割過程中有兩種刀頭可供選擇：3.175 mm的平頭刀頭和3 mm的球頭刀頭。使用平頭刀頭切割的車身會在表面形成一條條肋狀的條紋，導(dǎo)致表面粗糙度過高，影響空氣動(dòng)力學(xué)特性，因此不采用該種刀頭。考慮到整個(gè)車身的外輪廓都是流線型的曲線，就對所有的棱角處都進(jìn)行圓角化處理，采用了球頭刀頭進(jìn)行切割。整個(gè)車身的加工流程耗時(shí)約3 h，因此該工藝可以短時(shí)高精度地制備縮比模型的車身，具體的加工過程示意如圖10所示。

2.2 模型懸架系統(tǒng)以及前、后翼子板

縮比模型支撐系統(tǒng)的懸架、前翼以及后翼等部件的尺寸都比較小，在設(shè)計(jì)過程中經(jīng)過模擬檢驗(yàn)之后可能出現(xiàn)多次修改，因此本文采用3D打印的手段進(jìn)行這類零部件的加工，材料同樣選擇工程塑料。采用3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)靈活快速制備，適應(yīng)設(shè)計(jì)過程中的高頻修改，避免出現(xiàn)額外的不必要浪費(fèi)，降低成本。

2.3 模型車輪

縮比模型車輪的加工采用了上面提到的兩種方法。用3D打印技術(shù)打印的塑料車輪重量過大并且質(zhì)量差，因此最終采用車床加工的車輪，精度高、穩(wěn)定性好。如圖11所示，由3D打印技術(shù)打印的丙烯腈（ABS）車輪重量很輕，但是表面過于粗糙，可能會導(dǎo)致賽車在行駛過程中產(chǎn)生過多的摩擦，降低行駛速度；由聚四氟乙烯制造的車輪足夠輕，但是太軟，容易產(chǎn)生變形，可能會導(dǎo)致行駛方向的不穩(wěn)定；由硬鋁制造的車輪強(qiáng)度足夠，但是重量不夠輕，同樣會降低行駛速度；由鈦合金制造的車輪重量太大。最后綜合考慮各項(xiàng)因素，選用了車床加工的以ABS為原材料的車輪。

2.4 模型組裝

在所有零部件都加工完畢之后，開始進(jìn)行組裝。首先進(jìn)行車身噴漆，主要是為了使車身表面更加光滑，擁有良好的空氣動(dòng)力學(xué)特性，其次是為了美觀的外形。然后進(jìn)行車身打光，這部分工作可以使車身表面的粗糙度變得很低，對于車身的氣動(dòng)特性而言具有很大的幫助。零部件都噴漆打光完畢后再進(jìn)行預(yù)組裝，所謂預(yù)組裝就是先簡單組裝一遍，看看各零部件之間的配合是否滿足要求，如果不滿足要求就可以盡快更換，避免出現(xiàn)組裝完畢之后才發(fā)現(xiàn)問題而帶來不必要的麻煩。預(yù)組裝發(fā)現(xiàn)沒有問題之后進(jìn)行車身涂漆，這次涂漆主要是為了外觀效果。涂完漆之后進(jìn)行最后的組裝，將各部分零件按照設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行組裝。組裝完后要進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)采用的工具尺如圖12所示，該工具尺根據(jù)初始設(shè)計(jì)圖紙確定，保證組裝出來的模型可以較為嚴(yán)格地符合設(shè)計(jì)方案的精度。校準(zhǔn)完畢后進(jìn)行最終的固定。進(jìn)過這一系列步驟后，可以得到F1賽車的縮比模型。

3 賽車縮比模型試驗(yàn)

3.1 賽車模型風(fēng)洞試驗(yàn)

在經(jīng)過空氣動(dòng)力學(xué)軟件模擬以及懸架系統(tǒng)強(qiáng)度模擬之后，設(shè)計(jì)方案已經(jīng)較為完善，很多在模擬中出現(xiàn)的問題都通過優(yōu)化車身外形結(jié)構(gòu)得到了解決。為了進(jìn)一步測試設(shè)計(jì)的F1賽車縮比模型的空氣動(dòng)力學(xué)特性，測量其在現(xiàn)實(shí)中行駛所受的阻力，進(jìn)行了縮比模型的風(fēng)洞試驗(yàn)，如圖13所示。

通過風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果，結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)模擬的數(shù)據(jù)，對出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，考慮可行的修改方案。得到修改方案之后先在模擬軟件中進(jìn)行模擬，觀測方案的可行性，而不是直接對模型進(jìn)行修改，避免出現(xiàn)多次問題帶來的不必要的工程量。根據(jù)修改優(yōu)化的方案對車身形狀以及各部件形狀進(jìn)一步地優(yōu)化，從而達(dá)到更好的空氣動(dòng)力學(xué)特性，使其在現(xiàn)實(shí)中能以更快更穩(wěn)定的速度行駛。

3.2 賽車模型底盤測功試驗(yàn)

最后還對實(shí)體的縮比模型進(jìn)行了底盤測功試驗(yàn)，如圖14所示。底盤測功機(jī)主要是通過兩個(gè)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來模擬車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及直線行駛的質(zhì)量的慣量，不用在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)較為方便。本試驗(yàn)采用的小型測功機(jī)是自行搭建的，適用于本文所研究的1∶23縮比模型的尺寸。通過該試驗(yàn)的結(jié)果，分析得到賽車模型在行駛過程中受到的阻力情況，對賽車的動(dòng)力性進(jìn)行評估，從而得到賽車外形設(shè)計(jì)的合理方案，進(jìn)一步為整個(gè)設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供信息。

4 結(jié)論

本文在得到F1賽車初步設(shè)計(jì)圖紙之后，首先采用模擬軟件對F1賽車的縮比模型進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)特性以及部件強(qiáng)度特性的模擬，通過對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，找到出現(xiàn)的問題并采取相應(yīng)的措施予以解決，不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，對賽車縮比模型的外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而得到較為合理的設(shè)計(jì)方案。按照模擬之后得到的初步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案制造出整車的實(shí)體縮比模型，并對縮比模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)和底盤測功試驗(yàn)等，對得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，發(fā)現(xiàn)模擬過程中未能解決的問題并提出改進(jìn)方案。通過試驗(yàn)得到的改進(jìn)方案同樣先經(jīng)過模擬軟件的檢驗(yàn)，避免出現(xiàn)不必要的工程量。這樣的方法可以進(jìn)一步地優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，得到更加完美的賽車外形設(shè)計(jì)。這種F1賽車外形的設(shè)計(jì)方法快速、高效、成本低，有望成為一種新的賽車設(shè)計(jì)手段而被應(yīng)用于現(xiàn)在的賽車制造市場。但該方法僅限于賽車的外形設(shè)計(jì)，對于細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)或者各功能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還需要進(jìn)一步的研究。