創新的超音速汽車的設計師們表示希望該項目能夠激發新一代設計師和科學工作者們的設計靈感

    行業：汽車

    挑戰：如何突破思維限制,設計出“令 人震撼”的超音速汽車。

    Altair 解決方案：利用 OptiStruct 對結構進行優 化設計。

    優點：降低材料成本 ；提高性能 ； 提升速度

    背景介紹 

    早在1997年，內華達的黑巖沙漠，兩個英國人立下了一個誓言：突破陸上極速世界 紀錄。這兩個人就是Richard Noble和Andy Green。當時作為英國皇家空軍（Royal Air  Force）飛行員的Any Green駕駛一輛由Richard Noble等人研發的噴氣式超音速汽車“超音 速推進號”，速度達到763mph。到了2010年，他們的誓言變成了一個更深層次的雙重使 命：設計一種高達1.4馬赫數（1065英里/小時（約1600公里/小時）的超音速汽車，同時 從該項目的技術和經驗中獲得激發當前學生在科學探索、技術研究、工程數學等領域的鉆 研和創新精神的力量。這一新的使命依賴于超音速汽車“尋血獵犬”（Bloodhound SSC） 的成功問世。超音速汽車“尋血獵犬”車體搭載新型戰斗機（EuroJet EJ-200）發動機，并 配有一個固液混合火箭發動機。整輛汽車長度達到42英尺，重量近6.5噸。除EJ-200發動 機外，該超音速汽車的其余所有部件全部實現定制設計。 

為了遵循F1A創建的陸上極速紀錄的規則，每輛超音速汽車必須至少配備4個車輪， 其中至少有2個位于駕駛區域。除此以外，設計師可以按照自己的構思進行創新設計，于 是，令人驚嘆而充滿挑戰的超音速汽車“尋血獵犬”就誕生了。 

位于英國布里斯托爾的“尋血獵犬”研發基地，設計團隊利用一系列的技術來呈現他們 的創新設計，包括計算流體力學（CFD）和結構優化技術(Optimization)。Noble先生說： “這一項目獲得成功的關鍵因素是采取了大量的計算建模，來增加創意的可行性和降低設 計風險。在車輛高速駕駛到戶外之前，我們進行了一系列的仿真分析，以證實我們原始創 意的可行性。”   

    挑戰 

    Noble作為超音速汽車“尋血獵犬”的項目經理，指出該設計是相當具有挑戰性的。他 解釋說為了讓項目能夠激發新一代工程師的設計靈感，這必須要具有標志性意義的——就 像公眾所認為的“令人震撼的”才行。這也是為什么我們的團隊最終選擇了挑戰1.4倍超音速 原始目標的原因之一。     

---

    “通過OptiStruct，我們能夠看到哪些地方的材料可以從部件中增加或去除。對于我 們來說，這一設計方法轉變的價值是非同小可的。通過我們的努力，軟件指引我們 在一些地方增加了材料，而另一些地方削減了材料。如果沒有OptiStruct，我們將無 法得到這些珍貴的提示。”    

                                                                                                               Mark Chapman 

                                                                                                               項目總工程師                                                                                                               

---

    解決方案

    一旦確定了目標，整個團隊很快意識到他們需要充分利用自己的設計能力。車輛的設計是介于飛機和賽車之間的混合產 物，它的底盤類似于飛機，同時要配備如同賽車一樣的車輪、懸架、方向盤和剎車系統。Noble說整個團隊必須明確其方案 必須考慮的主要設計元素，例如空氣動力學、車輪和動力裝置，每一項都得呈現其特有的“工程機遇”。

    空氣動力學主管Ron Ayers解釋說，車體結構必須達到難以致信的剛硬和結實。他預估在最大速度時的氣壓高達每平方 米12噸，這時的氣動力可以輕易地將車體從地面掀起或足以破壞其懸架系統，所以精確地控制垂直力是非常重要的。 

    由于車輛的靜態和動態穩定性會涉及到難以估計的領域，設計團隊從汽車和飛機工程師們中學到技術來完成車輛的穩定 性問題。在慢速狀態下，重力占絕對地位；而在1000mph速度狀態下，則完全由氣動力來控制。車輪將承載6.5噸的車身重 量并保持10，000rpm轉速，這樣車輪邊緣的壓力可達到50，000g。在車輛持久運行期間，4個車輛保持相同的載荷是非常重 要的。小翼被裝配于車輪之上，達到充分的動態平衡，在微秒內稍加調整,使它們能夠幫助保持持續車速達到1.4馬赫。 

    除此之外，車胎和車輪與地面的相互作用形式也是考慮的重點問題。設計團隊選擇了一種特殊的表面（一種可變形介質）。 當發生變形的時候，動力裝置受控于車輪和地面的摩擦以及其內部摩擦。由于車輪與地面相互作用的數據相對比較缺乏，所 以預測車輛的狀況非常復雜。

    EJ-200噴氣式發動機和固液混合火箭發動機（包含固體推進器和液體氧化劑）增強了車輛的性能。火箭發動機提供原始 動力，而噴氣式發動機提供動力控制。火箭發動機設計產生27000磅的推力，長14英尺，直徑長18英寸，幾乎和一級方程式 賽車一樣長。噴氣式發動機能夠產生20000磅的推力，給汽車總共提供47000磅的推力——相當于135000匹馬力或180個一 級方程式賽車的功率。

    此外，一個800馬力賽車用發動機會泵送過氧化氫(HTP)、液體氧化劑到火箭的固體燃料來點燃它。只要HTP在流動，固 液混合火箭發動機就只能燃燒它的固體燃料。當HTP停止流動，火箭發動機就安全熄火。

    虛擬仿真分析 

    Noble說整個團隊將最后33個月的時間放在了空氣動力學方面的研究和火箭助推器研發上。事實上，車輛已經嘗試了10 個不同的設計方案。“我們必須確保重心和壓力中心在正確的位置。”他說，“在概念設計階段，在1.3馬赫時的浮力為12噸，我 們最后確定了一個安全的設計方案——不會產生浮力。在此，我們非常感謝合作伙伴Intel，給我們提供了3臺超大的計算集群 來幫助我們進行仿真分析。” 

    設計團隊用了18個月的時間來構思如何在沉重的EJ-200噴氣式發動機上放置441-lb火箭發動機。然而，隨著概念設計的 進程，設計人員發現需要更多的推力來克服空氣阻力。在經過細致的評估后，他們決定利用重約882磅的固液混合火箭發動 機，不幸的是火箭發動機上額外的推力使得車輛發生搖晃，于是設計人員返回到設計面板和概念設計上，將噴氣式發動機放 在火箭發動機之上。 

    CFD軟件工具在車輛的研發過程中起到了重要作用。設計人員已經使用威爾士斯旺西大學研發的CFD軟件。CFD工程師 Ben Evans說仿真的可視化功能幫助設計團隊更好地分析車輛的在流體狀態下的情況，如沖擊波、邊界層和壓力分布等。

    總工Mark Chapman說設計團隊利用CFD軟件工具來驗證車輛設計的可行性。“流體動力學推動車輛及其內部空間的設計 造型。在此沒有風洞測試。”在這個研發階段，車輛的外觀設計已經基本形成，研發的重點轉移到內部設計和構造階段。 “跳出框架”思維 

    據Chapman回憶，在驗證超音速汽車“尋血獵犬”概念設計可行性的階段，優化軟件同樣扮演了重要角色。他舉例說他們 利用優化軟件來驗證后方底盤結構和分析前后車輪的結構設計。當設計人員重新設計車輛，將噴氣式發動機置于火箭發動機 上，后方底盤就得重新改裝。設計團隊利用Altair HyperWorks CAE軟件包中的OptiStruct優化技術來確定材料使用最有效的 方案。OptiStruct軟件包括拓撲優化、形狀和尺寸優化功能，幫助工程師在概念設計的早期從多重設計中快速確定主要載荷路 徑。 

    Chapman說設計團隊開始是選擇了碳纖維復合材料，但是測試結果反應這種材料堅硬度不夠，無法滿足需求。Noble還 補充說當噴氣式發動機和火箭發動機重新組裝設計后，一旦出現火情，復合材料結構也是無法抵御的。因此最佳的解決方案 就是研發一種鋼結構。設計團隊借助于Altair OptiStruct的計算仿真來達到最佳的強度與重量的比率。 

    “尋血獵犬”工程師建立了不同的模型，布置的不同的肋和衍架結構。Chapman說“OptiStruct給我們指點了如何合理布置 相應的材料，達到最佳的強度-重量比。我們最終設計了一個完美的測地線拱頂結構——而不是我們原先能想到的結構。”

設計團隊采用OptiStruct類似的方法對車輪的垂直上方進行了分析。由于車輪上方產生巨大的載荷，設計團隊原始設計中 采用了鈦材料，鈦是堅固而輕量的一種材料，但價格昂貴。設計者采用OptiStruct優化車輪設計——在不影響性能的前提下用 最少的材料。借鑒實驗設計方法論，最終通過優化充分降低了載荷，所以在最終設計中車輪改為由成本較低的鋁制成。 

Chapman說:“通過OptiStruct，我們能夠看到哪些地方的材料可以從部件中增加或去除。對于我們來說，這一設計方法轉 變的價值是非同小可的。通過我們的努力，軟件指引我們在一些地方增加了材料，而另一些地方削減了材料。如果沒有 OptiStruct，我們將無法得到這些珍貴的提示。”

    “有了OptiStruct，”Noble說，“我們擁有了一輛堅固而輕便的超音速汽車。這是其它方法無法辦到的。”Chapman解釋說 對于他們這樣一支非傳統意義的設計團隊，必須具備非比尋常的工具。 “我們出現的不是傳統的“工程”問題”他說，“我們出現 的問題非常特別。OptiStruct讓我們意識到我們問題的獨特性并提供了相應的解決方法。” 

    與高校的合作 

    超音速汽車“尋血獵犬”的設計團隊在努力研發的同時，與英國高校合作開設該項目的相關課程，實現激發當前學生在科 學探索、技術研究、工程數學等領域的鉆研和創新精神的重要使命。這樣，英國的學生，覆蓋低年級學生到研究生階段，開 始跟隨著設計團隊的項目進程。英國的師生可以了解到車輛的研發、設計、模型創建和測試的相關信息。教育院校還可以從 其中獲得資源創建不同級別的課程；他們還可以去布里斯托爾參觀車輛的研發情況。除此之外，還鼓勵學生加入“尋血獵犬” 青年俱樂部以及參加科學和工程競賽。

    下線路線圖 

    超音速汽車“尋血獵犬”的設計團隊依然還有很多工作要做。Noble說他們計劃在夏天完成細節設計，然后進行部件的制造 和車輛的裝配。車輛的首次亮相被定于2011年的夏末，并于2012年展開全部活動。（注：“尋血獵犬”已完成了設計） 

    設計團隊將首先進行靜態測試，比如確保發動機的正常運行。然后，他們將在英國的高速公路上以200mph速度訓練運 行團隊和調試車輛。最后的試駕將在南非北開普省的Hakskeen Pan荒地進行，創造陸地極限速度。 

    在最后的試駕階段，團隊將其提速到650mph。Chapman說這個超音速的范圍，看上去會非常有意思。而計算預測車輛 與地表的相互作用、車體周圍氣流和車輛和地面的沖擊波是非常困難的。這就是為什么在物理測試中必須每50mph增量—— 接近計算模型，進行測量的原因。 

    “我們搜集了所有數據，”Chapman說，“測試物理性能，然后與預期數據進行對比。如果無法預見到車輛發生的狀況，我 們就降低速度增量，并且返回到計算模型。我們想要確保安全性。”我們為什么選擇Hakskeen Pan作為試駕的場地？Noble 說這是由很多因素綜合而成的：這個場地有10英里長，兩端各有1英里的清場跑道；平地；地面相當牢固，足可以滿足6.5噸 超音速汽車在上面運行。Noble解釋說陸上極限速度的記錄由60分鐘內兩次運行的平均速度計算得出。團隊需要足夠的空間 來使6.5噸的車輛完成轉彎和其他任務：給噴氣式發動機加油、給火箭發動機添加固體燃料、以及重新裝載減速器放慢汽車速 度。                                             

    結論 

    一項標志性的工程冒險 

    超音速汽車“尋血獵犬”團隊正面臨著一個挑戰和一項標志性的工程冒險。Chapman說：“沒有一個答案是正確的，沒有一 個創意是錯誤的。這是相當令人興奮的。”Noble說：“我們不同于飛機/賽車的研發經驗。這個項目的一切都是全新的、創造 性的。”Chapman提到了仿真工具，如CFD和OptiStruct，在創新中發揮了重要作用。“這些工具，”他說，“功能非常強大，讓 我們想到了以前沒有想到的東西。利用這些工具，讓我們的思維跳出了框架。”設計團隊對技術的依賴推動了他們獲得尖端科 技的能力。在他們的努力下，高級冶金術、地面空氣動力學、高振動遙感探測、低層次噴氣和火箭發動機操作都達到了他們 預期的結果。 

    “這個項目沒有先例，”Noble 說，“我們所做的一切都是創新的，而且可共享于網絡。在世界上，人們會探究我們所做的 內容，并且進行工程仿真的研究。我們都有一個任務來推動前沿技術，只要我們能做到。這里還可以獲得很多新的發現。”   

---

    【想獲得更多信息，請加技術鄰微信客服 jishulink888。也可以申請試用、免費測算、報名培訓、研發人員20人以上的企業可以申請免費上門內訓】