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Aeropackage Design

Mind Map

  • 設計空力的目的: 提升側向抓地力
  • 定義設計目標: 和前一代賽車比較。確認參賽賽道後，固定半徑的彎道中，需要提升幾G的側向加速度，AutoX秒數總共提升多少。預估車重，並評估下壓力需要達到車重的幾%。和各負責人確認賽車的整體設計方向，EX:底盤車或是空力車，取決於車重和賽道均速。對於空力車來說，賽道均速下的下壓力至少要達到車重的35%、Cla>3。
  • 設計夥伴: 時刻與車架、懸吊、車動負責人確認當前設計進度及修正設計目標
  • 以FSAE應用來說，阻力不需要納入考慮，盡量追求極致的Cla，並且彎道和直線的差距不超過10%
  • 結構設計: 從畫圖時期就應該要考慮後續的加工方案，從土炮到精緻等數種方案，以防車隊經費又有重大危機

前期規劃

前尾翼為標配，底板可以視車架設計做較大的變化，基於兩年的設計經驗前尾翼的設計相關性較低，兩者可以分頭進行，僅需要注意前翼不會過度上洗氣流。

前翼設計注意事項:

  1. 下壓力產生原理: 由於前翼的設計很大程度的影響整車的設計邏輯，因此需要優先被考慮。主流的設計方向有兩種，
    • 第一個是透過上洗氣流加速氣流，在翼片下緣產生低壓帶。此方案較簡單，僅需要加大攻角和計算pitch moment的影響，不需要考慮太多距地高的影響。
    • 第二種則是地面效應，也是多數車隊採用的設計思路。地面效應則需要加上距地高與下壓力的關係，因為這點必須要和懸吊及車動負責人有緊密合作，確保車輛動態不會影響氣流方向；其好處也非常明顯，由於不需要花太多心思上洗氣流，可以讓後方的底板及尾翼保有充足氣流量，同時減少輪胎亂流向內捲入底板，其高速氣流也有助於近一步提升底板氣流速度。
  2. 分區設計：由於不同區域有不同的規則限高，分區設計能夠更好釐清設計邏輯，中間區域建議以純地面效應，內側使用地面效應加上上洗，外側則使用地面效應。需要注意的是，由於分區的氣流方向不同，會在交界處產生大小不一的渦流，若不做處理會加大誘導阻力，可以使用各式導流手段善加利用，例如向外排出輪胎亂流或是加強渦流強度後導入尾翼

尾翼設計注意事項

  1. 下壓力產生原理: 和飛機起飛時的原理相似，透過最大化上下翼面的壓差產生下壓力，值得注意的是機翼上通常會有前後襟翼，一樣的道理在尾翼上也會是一個湯匙的形狀，讓上方有充足的高壓(當然也會是滿滿的阻力)。
  2. 分區設計: 影響尾翼性能最大的變數是主環附近的幾何，其會產生無法控制的亂流以及很大程度的減速附近氣流，在導流和提速方面都會造成影響。參考歐洲隊伍的設計，可以發現比較特別的是RWTH，他的單體殼集成了主環後方的整流罩及頭枕，是高難度的整合方案，但也一定會是效果最好的。Tufast油車整合進氣和鯊魚鰭導流，該方案為油車適用，比較考驗複材方面的加工經驗。

底板設計注意事項：　

底板則是全車最複雜的套件，除了製圖困難外，同時需要考慮車架形狀、前翼氣流、A臂氣流、輪胎亂流等...以下為考慮優先級:

  1. 前翼氣流: 前翼不應該過度上洗氣流，氣氣量減少會導致底板效率會嚴重降低
  2. 輪胎亂流: 和前翼氣流有高度相關，若上洗過度會導致輪胎內側低壓增強，引發大量輪胎亂流。若亂流進入底板流道會導致流速降低。
  3. A臂氣流: 若A臂使用碳纖圓管，則會有較大的真空帶亂流，導致底板氣流速度降低。可以透過加上翼型做氣流下洗，可以同時控制前翼的上洗程度以及減少輪胎亂流產生。
  4. 車架設計很大程度上影響底板幾何，但其影響程度遠不如以上提到的三點，注意要解決以上的問題再討論車架幾何。在理想情況下，車架能夠配合底板幾何做調整，目前由於其他系統的優先度更高，還沒有相關經驗。

CFD

CFD是一個對於新手及老手都相當頭疼的東西，從2022開始，車隊主要使用Ansys作為主要的分析工具，在各式CFD軟體中，其特點主要是新手友善的流水線操作步驟及精度更高的求解算法。由於各個流程仔細講都會是長篇小說的長度，以下僅針對工作流程逐一簡介:

Geometry

Ansys內建三大幾何軟體，我們主要使用spaceclaim，其自由度較高，可以針對模型做出各種修改，然而自由度高的缺點就是容易造成模型計算錯誤導致奇怪的幾何或是軟體直接當機。軟體也內建各式檢查功能，提前修正下一步鋪網格時可能會遇到的幾何錯誤，例如角度過大的尖角，或是缺面等。

  1. 匯入幾何檔(STEP)
  2. 簡化模型
  3. 檢查幾何無錯誤
  4. surpress physics
  5. 建立流場(Enclosure)
  6. 命名各部分(ctrl+g)，可以將幾何特徵或是網格尺寸類似的物品命名在一起。
  7. check geometry

Meshing

  1. 選擇watertight geometry
  2. 匯入幾何，注意單位要是mm
  3. 設定local sizing，限制各部分的網格尺寸，其中需要注意網格不是越小越好，判斷需要依據物體大小、曲率
  4. apply surface mesh
  5. improve surface mesh，注意skewness盡量不要超過0.9
  6. describe geometry
  7. update boundry
  8. create region
  9. update region
  10. add boundry layers，這邊涉及邊界層的求解精度，會影響整車求解的結果，網路上有很多計算機可以進行初步的評估，實際的值可以在求解之後得到，之後進行調整，盡量控制在y+=1。詳細內容請觀看另一篇。
  11. create volume mesh
  12. improve volume mesh，全車幾何的部分正交品質通常不會太好，普遍落在0.04-0.15之間。

Solver

  1. 調整unit(頁面左上角)，將速度單位調整至km/h
  2. 點開inlet，並將速度調整至50km/h
  3. 點開outlet，勾選average presure outlet
  4. 在wall的部分調整以下參數: a. ground=>moving wall b. tires=>rotating wall，輸入轉軸原點、方向及轉動速度v=rw
  5. reference value，輸入正投影面積，車身長度，流體相對速度
  6. 建立force report
  7. initialize
  8. run calculation
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