F1賽車外形縮比設計方法

崔博然+林海英

摘 要：為了更快地設計F1賽車外形，設計并制造比例為1∶23的F1賽車縮比模型，通過空氣動力學軟件以及有限元軟件分別對模型的空氣動力學特性以及強度進行了校核，根據仿真結果對設計方案進行初步優化。根據初步優化的設計方案制造縮比模型，對制造得到的整車縮比模型進行風洞試驗和底盤測功試驗。結果表明，初步優化的模型在空動特性上存在一定不足，據此對設計方案做進一步的完善，進而得到更加優化的設計方案。

關鍵詞：F1縮比模型；空氣動力學；懸架強度；風洞試驗；底盤測功機

中圖分類號：U469.6+96文獻標文獻標識碼：A文獻標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，而空氣動力學對F1賽車性能的影響具有決定性的作用，因此如何快速設計出具備優異空氣動力學特性的F1賽車成為各大賽車制造商關心的問題。以往很多研究都針對F1賽車的氣動特性展開[1-3]，進而通過研究結果為其外形設計提供參考信息。通常進行軟件模擬之后的結果大多直接用于指導設計，從設計到制造出一輛完整的F1賽車，是一項復雜的工程，需要耗費大量時間，在進行實車測試之后，極有可能還需要進行完善修改，這就使整個制造周期非常漫長，成本也很高。一種快速、方便、高效率、低成本的設計方法亟待被開發。本文提出了通過模擬進行預設計，制造整車縮比模型進行各類測試，得到反饋數據后用于優化設計這樣一個設計流程，可以在外形設計方面縮短設計周期，降低成本，提高效率。

1 賽車縮比模型空氣動力學和懸架結構優化

1.1 空氣動力學優化

賽車縮比模型的空氣動力學模擬是在制造縮比模型之前進行的，根據原始設計方案先進行縮比模型的軟件建模，然后通過模擬軟件對賽車模型進行初步的優化，根據初步優化的設計方案制備實體縮比模型，再對制備的真實模型進行各類試驗測試，得到數據參數。這樣的設計方法使賽車外形的設計周期縮短，效率提高。

如圖1所示，初步設計車身形狀為水滴狀，改變前翼的角度以覆蓋更多的區域，同時在尾翼添加一個菱形的突起。經過軟件模擬之后發現，這種形狀的翼板會顛倒氣流，進而容易在風洞中形成更多的渦流，賽車在行駛過程中會出現抖動。

考慮上述設計車型有重量大、翼板形狀差等問題，對其設計方案進行了修正，如圖2所示。車身的形狀改變為更加細長的牙膏狀，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，同時在車身兩側加了側艙。模擬之后發現這種形狀的前后翼并不會給空氣動力學特性帶來較大提高，而且側艙與車身之間容易出現縫隙。因此還需對車身外形進行改進。

針對上述側面艙的問題，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。在模擬過程中發現，單片的“翅膀”無法形成側艙，因此將“翅膀”的底部加厚，這樣可以有效減少渦流。

為了進一步優化車身形狀，在車身上添加了翅膀的形狀，從而可以將側艙加以簡化，同時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，使前翼足夠穩定且可以覆蓋足夠大的區域，如圖4所示。但是該車身仍然較重，不利于快速行駛。

進一步優化車身外形，將側艙設計成梭形，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。該車型的空氣動力學模擬結果良好，最終確認為縮比模型的初步優化車型。

其中最后兩種車型的模擬數據對比見表1，可以看到經過側艙形狀的優化之后，賽車模型的氣動阻力有所下降，氣動特性有所改善。

經過多次模擬，發現賽車模型中存在的問題并逐一解決，使設計方案不斷完善。在最終得到較為完美的設計方案之后，進行實體模型的制作，隨后對實體模型進行試驗，發現模擬過程中沒有發現的問題，進而繼續改進設計方案。

1.2 懸架系統強度優化

空氣動力學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力學響應的影響，指導設計方案的改進。對于支撐系統而言，其強度的校核才是設計的關鍵。在整車縮比模型設計過程中，懸架系統的形狀設計對于其強度的影響是十分重要的。由于縮比模型和實際賽車在材料上的不同，導致其材料的參數差異，因此懸架系統的設計以考慮形狀為主。如圖6所示，這類懸架形狀會導致中部撓度過大，應力集中，極容易出現斷裂，必須進行優化。

改變上述懸架與車身的連接方式，使形狀變為方形，如圖7所示。從模擬結果來看，該種懸架強度更高，變形量小。但受限于加工工藝，該種懸架也必須進行優化改進。

為了減輕重量，同時又能很好地支撐車身，設計了如圖8所示的懸架。該懸架每側有三根桿，可以有效支撐車身，同時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打印技術加工時會出現一些問題而導致加工困難，并且桿的加入導致懸架形狀復雜，在行駛過程中容易出現湍流，因此該懸架同樣需要進行優化。

經過多次改進之后的懸架如圖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，即計算機輔助設計與數控機床技術以及3D打印技術。計算機輔助設計技術在機械設計領域已經得到了廣泛的應用，其將繪圖、分析、處理和仿真等功能集于一身，使設計時間大大縮短，降低了設計的周期和成本，大幅提高了設計效率和質量[4]。同樣的，3D打印技術在近幾年內迅速發展，在工業設計、機械制造、航空航天等領域的應用逐漸擴大，具有快速、可實現復雜形狀等優點[5]。根據本文中縮比模型各部分零件的特點，針對性地選擇上述兩種方法進行制備，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，采用上述的計算機輔助設計方法，在設計完成車身形狀的基礎上，通過電腦操控機床進行切割。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，導致表面粗糙度過高，影響空氣動力學特性，因此不采用該種刀頭?？紤]到整個車身的外輪廓都是流線型的曲線，就對所有的棱角處都進行圓角化處理，采用了球頭刀頭進行切割。整個車身的加工流程耗時約3 h，因此該工藝可以短時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 模型懸架系統以及前、后翼子板

縮比模型支撐系統的懸架、前翼以及后翼等部件的尺寸都比較小，在設計過程中經過模擬檢驗之后可能出現多次修改，因此本文采用3D打印的手段進行這類零部件的加工，材料同樣選擇工程塑料。采用3D打印技術可以實現靈活快速制備，適應設計過程中的高頻修改，避免出現額外的不必要浪費，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打印技術打印的塑料車輪重量過大并且質量差，因此最終采用車床加工的車輪，精度高、穩定性好。如圖11所示，由3D打印技術打印的丙烯腈（ABS）車輪重量很輕，但是表面過于粗糙，可能會導致賽車在行駛過程中產生過多的摩擦，降低行駛速度；由聚四氟乙烯制造的車輪足夠輕，但是太軟，容易產生變形，可能會導致行駛方向的不穩定；由硬鋁制造的車輪強度足夠，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，開始進行組裝。首先進行車身噴漆，主要是為了使車身表面更加光滑，擁有良好的空氣動力學特性，其次是為了美觀的外形。然后進行車身打光，這部分工作可以使車身表面的粗糙度變得很低，對于車身的氣動特性而言具有很大的幫助。零部件都噴漆打光完畢后再進行預組裝，所謂預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，避免出現組裝完畢之后才發現問題而帶來不必要的麻煩。預組裝發現沒有問題之后進行車身涂漆，這次涂漆主要是為了外觀效果。涂完漆之后進行最后的組裝，將各部分零件按照設計的結構進行組裝。組裝完后要進行校準，校準采用的工具尺如圖12所示，該工具尺根據初始設計圖紙確定，保證組裝出來的模型可以較為嚴格地符合設計方案的精度。校準完畢后進行最終的固定。進過這一系列步驟后，可以得到F1賽車的縮比模型。

3 賽車縮比模型試驗

3.1 賽車模型風洞試驗

在經過空氣動力學軟件模擬以及懸架系統強度模擬之后，設計方案已經較為完善，很多在模擬中出現的問題都通過優化車身外形結構得到了解決。為了進一步測試設計的F1賽車縮比模型的空氣動力學特性，測量其在現實中行駛所受的阻力，進行了縮比模型的風洞試驗，如圖13所示。

通過風洞試驗的結果，結合空氣動力學模擬的數據，對出現的問題進行分析，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行模擬，觀測方案的可行性，而不是直接對模型進行修改，避免出現多次問題帶來的不必要的工程量。根據修改優化的方案對車身形狀以及各部件形狀進一步地優化，從而達到更好的空氣動力學特性，使其在現實中能以更快更穩定的速度行駛。

3.2 賽車模型底盤測功試驗

最后還對實體的縮比模型進行了底盤測功試驗，如圖14所示。底盤測功機主要是通過兩個飛輪轉動的轉動慣量來模擬車輛運動時的轉動慣量以及直線行駛的質量的慣量，不用在實際環境中進行運動，試驗較為方便。本試驗采用的小型測功機是自行搭建的，適用于本文所研究的1∶23縮比模型的尺寸。通過該試驗的結果，分析得到賽車模型在行駛過程中受到的阻力情況，對賽車的動力性進行評估，從而得到賽車外形設計的合理方案，進一步為整個設計的改進提供信息。

4 結論

本文在得到F1賽車初步設計圖紙之后，首先采用模擬軟件對F1賽車的縮比模型進行空氣動力學特性以及部件強度特性的模擬，通過對模擬結果進行分析，找到出現的問題并采取相應的措施予以解決，不斷改進設計方案，對賽車縮比模型的外形結構進行優化，從而得到較為合理的設計方案。按照模擬之后得到的初步優化設計方案制造出整車的實體縮比模型，并對縮比模型進行了風洞試驗和底盤測功試驗等，對得到的試驗數據進行處理分析，發現模擬過程中未能解決的問題并提出改進方案。通過試驗得到的改進方案同樣先經過模擬軟件的檢驗，避免出現不必要的工程量。這樣的方法可以進一步地優化設計方案，得到更加完美的賽車外形設計。這種F1賽車外形的設計方法快速、高效、成本低，有望成為一種新的賽車設計手段而被應用于現在的賽車制造市場。但該方法僅限于賽車的外形設計，對于細節設計或者各功能系統的設計還需要進一步的研究。