方程式赛车尾翼作用的仿真研究

方程式赛车尾翼作用的仿真研究 [摘要]通过机械系统动力学分析软件ADAMS建立了某方程式赛车的模型，并通过与实际比赛成绩的对比验 证了虚拟样机模型的准确性。在此基础上，建立了NACA6411型尾翼的空气动力特性，通过虚拟仿真试验， 对有尾翼及无尾翼赛车的某些性能进行了对比，为方程式赛车的设计提供了有力依据。 关键词:方程式赛车;ADAMS;尾翼;仿真 The simulation study on the effect of formula racing car rear wing [Abstract] By applying the mechanical system simulation software ADAMS，the model of a certain Formula racing car was established. By comparison with the actual results of competition, the correctness of the virtual prototyping model is verified. Based on these，the Aerodynamic characteristic of NACA6411 rear wing was established, by Virtual Experiment, Some performance of the racing car with or without rear wing was compared, it can provide a strong basis for the design of Formula racing car. Key words: formula racing car; ADAMS; rear wing;simulation 前言 中国大学生方程式汽车大赛(中国FSAE)是由中国汽车学会主办，由高等院校汽车工程或其相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。该项大赛致力于为国内优秀汽车人才的培养和选拔做出贡献，提高学生们的设计、制造、成本控制、营销、沟通与协调等五方面的综合能力，为中国汽车产业的发展进行长期的人才积蓄，促进中国汽车工业向“产业强国”的迈进。 而对于中国方程式汽车大赛，由于比赛周期仅为一年，没有大量精力进行样车制造及试验，所以通过虚拟样机技术建立准确的虚拟赛车模型，并在设计之初对赛车的性能进行测试及优化，是具有重大实际意义的。 本文通过ADAMS/CAR模块建立了方程式赛车的虚拟样机模型，通过实际比赛成绩验证了模型的准确性，并填加了尾翼的空气动力特性，对该尾翼对赛车性能的影响进行了仿真试验探究。 1 赛车模型建立及验证 1(1赛车模型的建立 ADAMS/CAR中的整车建模的方式为自下到上的方式，首先建立各子系统的模板，通过通讯器定义各个子系统之间的运动学及动力学联系。一个完整的整车模型包括前后悬架子系统、转向子系统、轮胎子系统、车身子系统、动力总成子系统。首先对各个子系统进行物理抽象，构件拓扑关系。主要位置坐标值通过三维设计模型获得，轮胎、弹簧、减震器等子系统的属性文件由厂家提供的性能参数编写。由于篇幅限制，具体建模过程不做赘述。完成各子系统的建立后，在ADAMS/CAR中完成整车装配。整车装配模型如图1所示。 图1 整车装配模型 1(2赛车模型准确度验证 根据2010年中国方程式汽车大赛的比赛成绩，在ADAMS中进行同样工况的仿真，将仿真结果与实际比赛成绩比较，以验证赛车模型建立的准确性。 1(2(1直线加速仿真 在2010年中国方程式汽车大赛直线加速比赛项目中,北京理工大学方程式赛车的成绩为75米加速用时5秒。 在ADAMS/CAR中，进行直线加速仿真，控制方式为开环控制，节气门最大开度设置为100%，仿真时间为20秒，仿真结果如图2所示。 图2 直线加速仿真结果 由图2可以看到，虚拟赛车模型行驶75米的所用时间为5.1秒。与赛车实际75米加速结果相差0.1秒，可见虚拟赛车模型具有一定准确性。 1(2(2 比赛赛道仿真 2010年中国方程式汽车大赛耐久赛项目中,北京理工大学方程式赛车用时1186秒完成12圈耐久赛(单圈距离为1237米),平均每圈用时98秒,平均速度为45km/h。 利用ADAMS/CAR提供的路面建模器，根据比赛赛道位置坐标建立赛道模型，并基于伪白噪声法，通过随机路面干扰输入的方式模拟沥青路面，沥青路面的参数设置如下:空间功率谱密度为0、速度功率谱密度为12、加速度功率谱密度为0.17。将建立好的赛道路面文件通过ADAMS/CHASSIS模块中的path optimization功能计算赛车的最佳行驶路线，如图3所示。 图3 赛道最佳走线 赛道建立完毕后，执行smartdriver仿真，即智能驾驶模块。。仿真开始时，系统会首先忽略空气动力特性及轮荷的转移，生成一个简化的模型，通过整车模型的动力系统性能、轮胎性能来计算通过每个路径横断面时的可能的一组最大速度，之后再计入空气动力特性及轮荷转移，通过驾驶器控制发动机油门、制动、转向完成全部仿真，从而得到汽车模型在此路径下的极限行驶性能。仿真结果如图4所示。 图4 赛道仿真结果 比赛赛道的实际单圈长度为1237米，由图4可以看到，虚拟赛车模型行驶1237米的是为96.9秒，与实际数据98秒相差1.1秒。 虚拟赛车模型在1237米的单圈行驶中的平均速度为12.8m/s，即46.10km/h，与45km/h的赛车实际平均速度相差1.1km/h，可见虚拟赛车模型已经具有了一定准确性。 2尾翼空气动力特性的建立 在ADAMS/CAR中，空气动力的定义是在车身子系统中完成的。用户可以自定义风压中心的位置，及三个方向的空气动力、三个方向的空气力矩。 由于处于性能预测研究阶段，尚未对尾翼空气动力学进行全局优化设计，根据相关资料选取经典翼型进行尾翼设计。经过对各种翼型升力阻力特性的研究，本文采用NACA6411型低速翼型用于赛车后定风翼设计。根据规则限定和赛车总体布置分析，设计后定风翼弦长为350mm，展长为1600mm，攻角取为11度。如图5所示为该翼型升阻特性曲线。 由于该赛车后定风翼处于车尾部上方洁净尾流中，为了适量简化计算，在气动力计算中暂不考虑车身与定风翼气动干扰因素。 图5 NACA6411翼型升阻特性曲线 在赛车模型后轴上方1米处建立尾翼空气动力作用点，并根据该翼型攻角为11度时的升力系数、阻力系数编写尾翼空气动力函数，完成尾翼的空气动力特性建立。 将填加了尾翼空气动力特性的车身和其他子系统装配，完成有尾翼赛车的整车装配。 3 有尾翼赛车与无尾翼赛车性能对比 在建立了真实、准确的赛车虚拟模型的基础上。在ADAMS/CAR中进行房真试验，对有尾翼赛车及无尾翼赛车的性能进行分析与对比，主要包括赛车加速性能、制动性能、高速转弯性能及高速避障性能。 3(1 加速性能对比 分别对有尾翼赛车模型及无尾翼赛车模型进行直线加速开环仿真，两车的空气阻力仿真结果如图6所示。 图6 空气阻力对比 在汽车行驶的每一瞬间，发动机发出的功率等于机械传动损失的功率及全部阻力所消耗的功率。汽车行驶过程中的功率平衡如下: =P+P+P+P (1) Pewjfi 式中:P为发动机功率，P为滚动阻力功率，P为空气阻力功率，P为坡度阻力功率，P为加jewfi 速阻力功率。 其中，空气阻力的功率计算公式如下: 3 C *A*V 1D=* (2) Pwη 76140 式中:为汽车的传动比，为空气阻力系数，A为迎风面积，V为汽车行驶速度。 ηCD 汽车在速度达到最高速度之后，坡度阻力功率及加速阻力功率皆为零，所以此时汽车主要克服的是空气阻力功率。 由图6可以看到，当赛车达到最大速度之后，二者空气阻力相差很小，无尾翼赛车的空气阻力为859N，有尾翼赛车的空气阻力为871N，根据汽车功率平衡公式可知，有尾翼赛车的最高行驶速度略低于无尾翼赛车。 3.2制动性能对比 汽车制动的性能主要关注汽车制动距离及减速度、制动时的方向稳定性等。 制动时，汽车能够达到的最大减速度主要取决于制动器的制动力，但是同时又受到地面附着条件的限制。 制动时的方向稳定性的优劣，主要由制动时是否发生跑偏评价。在汽车制动时的跑偏是指制动时汽车向左或向右的偏驶，跑偏的主要原因包括制动时汽车制动时由于路面的侧向倾斜、侧风的横向力作用、汽车左右车轮制动力不相同等原因。 为探究有尾翼及无尾翼赛车在制动时性能的优劣，分别进行直线制动仿真，设置赛车以140KM/H的极限速度制动，制动力在 0.5秒后达到最大。为模拟赛车在制动时所受到的侧风影响或路面倾斜产生的横向力，在质心处添加30N的横向力输入，为使横向力输入平稳填加，采用ADAMS中的STEP阶跃函数定义横向力。仿真后的结果如图7、图8、图9所示。 图7 后轮垂向负荷对比 图8 车身横向位移对比 图9 制动距离对比 在前文中提到，汽车的制动距离取决于地面制动力的大小，而其又受到地面所能提供的最大附着力的限制，即制动时的地面制动力不能超过地面所能提供的附着力。 地面附着力的定义为地面对轮胎切向反作用力的极限值，其计算公式为: F=F*Φ (3) MAXZ 式中:F为地面对轮胎的最大切向反作用力，F为路面与驱动轮法向反作用力，Φ为附着系数。MAXZ 其中，Φ取决于轮胎与地面的性质。 从图7中可以看到，尾翼为赛车提供了很大下压力，使有尾翼赛车的后轮垂向负荷远大于无尾翼赛车，根据地面附着力的计算公式可知，在相同路面附着系数的条件下，有尾翼赛车的地面最大切向反作用力大于无尾翼赛车，所以在制动过程中，有尾翼赛车的最大减速度大于无尾翼赛车，由图8可以看到，有尾翼赛车的制动距离短于无尾翼赛车。 在汽车的行驶过程中，由于侧风的横向力作用，路面倾斜，或者曲线行驶的离心力，地面上会产生对轮胎的侧向反作用力，由于车轮具有侧向弹性，所以轮胎将会产生侧偏现象。轮胎与地面的接触印迹的中心线将不再与车轮平面平行，而是错开一定角度，这个角度成为侧偏角。 侧偏力与侧偏角的比值称为侧偏刚度。侧偏刚度在一定垂直载荷的范围内，随轮胎的垂直载荷增大而增大。轮胎应具有较高的侧偏刚度，以保证汽车良好的操纵稳定性。赛车采用高宽比很小的轮胎就是提高轮胎侧偏刚度的主要措施。 由于赛车在制动时受到了30N的横向力作用，所以制动时赛车的后轮产生了不同程度的侧偏角，车身也产生了不同程度的横向位移。由于尾翼为赛车提供很大下压力，有尾翼赛车的轮胎垂向负荷增大，后轮的侧偏刚度得到提高，所以有尾翼赛车在制动时受到横向力的作用时所产生的轮胎侧偏角小于无尾翼赛车。 由图8可以看到，有尾翼赛车车身横向位移小于无尾翼赛车。即有尾翼赛车制动时的方向稳定性优于无尾翼赛车。 3.3高速转弯能力对比 在ADAMS中，采用定转弯半径的仿真试验来探究赛车在某弯道下的最大行驶速度。定义赛车转弯半径为100米，为了保证仿真数据的稳定性，在弯道前填加10米的引道以保证赛车平稳过度，赛车初始速度为10m/s，仿真时间设置为100秒，以保证赛车平稳加速，从而得到赛车在该弯道可以达到的最大侧向加速度及速度。仿真结果如图所示。 图10 高速转弯对比曲线 图11 方向盘转角对比 汽车在转弯过程中，转弯半径计算公式为: L R= δ- ，α -α ，12 其中，δ为前轮转角，α为前轮侧偏角，α为后轮侧偏角。当车速很低，侧偏角可以忽略不21 L计时，R= 。但当车速提高时，前后轮皆有侧偏角，若α-α为正值，汽车的转向效果受到抑制，21δ 并且抑制的效果随侧向加速度增大而增大，所以为保证在定半径弯道行驶，方向盘转角需不断增大，这就是不足转向特性;当α-α为负值，汽车的转向效果受到加强，并且加强的效果随侧加速度增21 大而增大，为保证在定半径弯道行驶，方向盘转角需不断减小，这就是过多转向特性。 由于尾翼为赛车提供很大下压力，提高了后轮的侧偏刚度，在传递同等侧向力的时候，后轮所产生的侧偏角更小，所以α-α值变大，即赛车的不足转向特性被加重。 21 所以，有尾翼赛车为保持在100米半径行驶不偏离赛道，方向盘转角需要的增大量变大，由图10 2可以看到，在速度达到30m/s，侧加速度达到9m/s时，方向盘转角过大，前轮失去了附着能力，所以偏离了原来的的赛道，半径突然增大，由于驾驶员控制器希望努力保证沿随设定的100米半径的跑道，所以方向盘转角仍在不断增大，但由于前轮已经失去了附着能力，仍然无法阻止赛车偏离赛道。 而有尾翼赛车由于不足转向特性小于有尾翼赛车，轮胎失去附着能力的时间要晚于有尾翼赛车， 2在100米半径所能达到的最大速度为31.5m/s，最大侧加速度为9.9 m/s。 由图11可以看到，在速度逐渐增大的过程中，两车的方向盘转角逐渐增大，有尾翼赛车的方向盘转角大于无尾翼赛车，同样证明了有尾翼赛车不足转向特性被加重。 所以通过上述分析，可以得到结论，有尾翼赛车的不足转向特性被加重，所以在同样半径的跑道下，所能达到的最大侧向加速度和最大速度小于无尾翼赛车。 3.4高速避障能力对比 采用蛇形试验仿真来评价赛车在高速行驶中的避障能力。这种试验方法可以反映出此闭路系统中赛车急剧转向的能力。 在ADAMS中建立蛇行仿真试验事件，车速为80km/h，穿越中线间距为30m，偏移距为3m。该类试验方法，主要以汽车的横摆角速度响应、方向盘转角等数据评价汽车的操纵稳定性。仿真结果如图11、图12所示。 图12 横摆角速度对比 图13 方向盘转角对比 在蛇行仿真试验中，横摆角速度及方向盘转角平均值越小，则说明汽车的操纵稳定性越佳。 由图12可以看到，有尾翼及无尾翼赛车的横摆角速度曲线几乎一致。由图13可以看到，在蛇行试验中有尾翼赛车的平均方向盘转角大于无尾翼赛车，这是因为有尾翼赛车的不足转向特性较大。所以，有尾翼赛车穿越标杆时的操纵稳定性要低于无尾翼赛车。 4 结论 (1) 通过ADAMS/CAR模块建立了某方程式赛车的虚拟模型，并且通过比赛成绩验证了虚拟赛车模 型的准确性。 (2) 在模型准确的基础上，填加了尾翼的空气动力特性，并与无尾翼赛车进行了加速性能、制动性 能、高速转弯性能、高速避障能力的对比。 (3) 仿真分析结果明，尾翼的作用对赛车的加速性能无很大影响。但会提高地面所能提供的附着 力，减小制动的距离，同时会提高赛车的制动方向稳定性。但是，尾翼会加重赛车的不足转向 特性，使赛车在同样半径跑道的转弯中所能达到的最大侧向加速度降低，同时降低了在蛇行穿 越中的操纵稳定性。 参考文献 [1] 张云清,项俊, 陈立平,孙营.整车多体动力学模型的建立、验证及仿真分析[ J] . 汽车工程,2006,28( 3) : 287-291. 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