賽車的案例
賽車 | 保時捷運用仿真提高動力總成效率，續寫賽事勝利篇章
— Leonard Mengoni，保時捷賽車運動部門高壓動力裝置單元開發工程師
在本期“Ask the Engineer”（向工程師提問）欄目中，一位保時捷賽車運動部門內部人士與我們探討了有關保時捷99X Electric Gen3 Evo全電動賽車的動力總成效率的話題。
已有一款全新的保時捷賽車問世，并且它已經顛覆了賽車運動中最令人振奮的系列賽之一——ABB FIA E級方程式世界錦標賽。泰格豪雅保時捷電動方程式車隊將在衛冕世界冠軍車手Pascal Wehrlein和2020年冠軍António Félix Da Costa的帶領下，準備駕駛全新保時捷99X Electric Gen3 Evo全電動賽車，再創賽車歷史。
99X Gen3 Evo在圣保羅E-Prix比賽中首次亮相，成為了加速最快的FIA單座賽車，其能夠在1.82秒內從0加速到60英里每小時。Wehrlein從P1發車位以1分9.851秒的桿位圈速拉開序幕，比去年快整整3秒。這一表現，加上Da Costa的早期登上領獎臺取得的勝利，為車隊本賽季的精彩表現奠定了基礎。
今年的賽事中，基本比賽規則保持不變，包括可用的能量限制。不過，今年車隊可以在排位賽對決、賽車起步和攻擊模式下啟用前輪驅動。由此，經過改進，保時捷99X Electric Gen3 Evo可通過前后輪同時驅動實現臨時四輪驅動，從而獲得額外抓地力。
保時捷賽車運動部門高壓動力裝置開發工程師Leonard Mengoni認為，這些新改進只是常規操作。我們有機會與他討論了他的工作，以及Ansys與保時捷的合作將如何繼續助力保時捷賽車運動部門提升動力總成效率。
展開 基于Inspire的FSCC賽車懸架立柱優化設計及CAE分析
同時，在FSC賽車領域，拓撲結構優化可以被用來重新設計底盤結構、車身外殼等部件，以實現更輕量化的設計和更好的性能。如Jiang等利用有限元法對FSC賽車車架的剛度和振動模態進行了分析，優化后的車架減重7.18%[10]。關亮亮等首先利用CA-TIA對懸架立柱進行了三維建模，之后利用ANSYS對懸架立柱進行了靜力學分析，發現前后立柱的最大應力均小于材料的屈服極限455 MPa，安全系數為3.3，滿足使用需求[11]。Shi等利用MATLAB設計了FSC賽車的轉向梯形機制，減少了輪胎的磨損，保證了良好的轉向能力和抓地力[12]。Yang等計算了后輪輪轂在不同工況下的力學參數，結果表明優化設計后的后輪輪轂可減重約20%[13]。Ye等利用Hypermesh分析了汽車轉彎時所需的承載構件扭轉剛度，并優化了零部件的結構，發現模擬橫向碰撞的最大變形為14.57 mm，最大應力為136 MPa，可保證駕駛員的安全[14]。
Altair Inspire Form軟件可用于子優化設計，并模擬制造工藝過程，引起了越來越多輕量化設計研究者的關注[15,16,17,18]。本文以第十屆FSCC賽車BTR-X的懸架立柱作為研究對象，利用CATIA建立起三維模型，之后對賽車參數和懸架立柱受力進行了分析，得到符合實際的工況條件。在此基礎上，采用Altair Inspire Form軟件，以滿足強度、剛度要求為設計目標，完成了懸架立柱的應力分析及優化重構，并實現其結構輕量化。
1 賽車主要參數
本文所用的FSCC賽車主要參數如表1所示。表中參數除軸距、輪距在設計與制造裝配過程中能夠較精確保證和控制之外，其余參數均為目標參數。
展開 HyperWorks 迎接學生方程式賽車的嚴峻挑戰
學生方程式賽車重量 通常在150Kg到300Kg之間。這一數值很大程度取決于車身的優化程度以及隊員們的設計理念（如輕量化設計會使用單缸發動機配備10寸輪轂，而動力性設計會使用4 缸發動機配備13寸輪轂）。通常情況下，新團隊設計的賽車的優化程度要低于經驗 豐富團隊的設計方案。
學生方程式競賽分為靜態項目（工程設計、成本分析、商業計劃演示等）和動態項目（防滑性、加速性、越野性、耐力性以及燃油經濟性等）兩類。由于大多數 團隊沒有足夠的資金生產多個原型賽車或進行大量的物理試驗，他們不得不求助于虛擬設計方法來獲得最佳的設計方案。近來，斯圖加特大學的兩支隊伍在比賽中表 現出色。這一成績均得益于賽車生產之前HyperWorks在設計方案模擬和車輛減重方面的應用。兩隊的動力系統不同，但在HyperWorks應用上都獲得了顯著的成效。
挑戰
在減輕重量的同時提高車身性能是學生方程式賽車設計生產的根本途徑。因此，兩支隊伍均采用OptiStruct——HyperWorks基于有限元方法的結構優化工具，對他們的設計方案進行優化，兩隊不同車型在類似的優化需求下均獲得了較好的結果。
RennTeam每年都會設計生產一輛全新的內燃動力賽車。有些零件是根據已往賽車優化而來，有些零件則需要全新設計。他們2012賽季的賽車重量目標定位在 175Kg到185Kg之間。
由于裝有集成充電電池，GreenTeam的電動車要比一般的內燃動力車重一些。因此，電動車組的所有團隊都將面臨可能的車身減重以補償沉重的發動機對賽車性能影響的問題。使用傳統研發流程和工具，學生們需要進行大量的虛擬設計計算和物理試驗。然而，學生的資源畢竟有限，他們不得不尋求新的設計方法，盡可能在賽車生產前優化各個零部件的重量并提高零件的剛度和性能。
展開 賽車尾翼的仿真驅動設計
在過去幾年中，我們為賽車隊提供了一些設計幫助，比如加拿大的FaSTTUBe車隊和Ryerson車隊。為了備戰德國FGS方程式賽車大賽，Carolina Cura最近對賽車的尾翼進行了設計和形狀優化。本文簡要介紹Carolina的優化工作，以及得到的一些優化結果。
優化目標：提高下壓力
與世界一級方程式錦標賽（F1）或者其他類似賽車競賽相比，FGS的主旨并不是評選最快的賽車，而是擁有最佳的整體設計理念的賽車，這就需要考慮到賽車的設計、預算、商業概念以及賽車性能等方面的綜合性能。其中，賽車性能的主要考核指標有動力性、操控性、加速性能、耐力和燃油效率等。
與普通車輛的空氣動力學性能相比，賽車的空氣動力學性能主要集中在下壓力的大小和分布，而阻力則是次要的。賽車的穩定性和操控性很大程度上取決于輪胎的性能，這直接關系到前后力之間的平衡。因此，優化前、后輪胎的載荷，可提高制動性能、轉向速度，從而提高穩定性。如果已經設計好了賽車的基本形狀，那么可以通過增加尾翼來控制前后車身下壓力之間的平衡。
在賽車中，尾翼對整車貢獻多達三分之一的下壓力。與航空尾翼相比，賽車尾翼主要有四個不同點。首先，賽車尾翼的主要功能是產生下壓力，而航空尾翼則是為了產生升力。此外，由于尾翼的設計工況需要考慮極端的地面效應，小展弦比的尾翼會與車身其他部分產生較強的相互作用。
如下圖所示：可以看到當受到側向力（例如由于轉向引起的慣性）時，輪胎發生側向滑移，使得輪胎運動方向與汽車行駛方向產生一個角度。增加垂直力（下壓力）可以使產生相同側向力的滑移距離更小。這意味著可以以相同的滑移為代價，實現較大的轉向力。
展開 
案例分享 | 大學生方程式賽車隊進行賽車軸承座部件優化、減重
德國帕德博恩（Paderborn）大學生方程式賽車隊進行賽車軸承座部件優化、減重
我們已經展示了MSC Apex Generative Design的潛力，以下為帕德博恩大學生方程式賽車隊為他們的賽車設計的軸承座部件——該部件用于支撐車輪軸承，屬于懸架的一部分。
這是一個很典型的案例，因為軸承座一方面要需要承受非常復雜的負載工況，同時對輕量化設計具有迫切需求。由于大賽要求參賽者每年開發一款新的賽車，仔細檢查每一個零件，以提升競爭優勢，因此設計過程中需要進行大量的零件設計優化。MSC仿真工具，例如：Adams 和 MSC Nastran 被用于進行后續的部件優化。
▲ 采用MSC Apex Generative Design進行增材制造設計
開發過程首先從基于Adams的多體動力學仿真中獲取載荷開始，Adams模型模擬了整個懸架的多種工況，包括所有連接點的坐標和作用力。
這些信息被用于建立優化模型并定義其目標。
在 MSC Apex Generative Design中定義了一個盡可能大的設計空間（如上圖所示）。
在這個方程式賽車項目中，對應輪輞內的空間減去叉形臂的安裝空間以及所選的制動系統。運行MSC Apex Generative Design優化算法，設計空間內的材料在確保滿足各種邊界條件、約束以及優化目標的前提下會被盡可能的削減。
展開 賽車尾翼的仿真驅動設計
在過去幾年中，我們為賽車隊提供了一些設計幫助，比如加拿大的FaSTTUBe車隊和Ryerson車隊。為了備戰德國FGS方程式賽車大賽，Carolina Cura最近對賽車的尾翼進行了設計和形狀優化。本文簡要介紹Carolina的優化工作，以及得到的一些優化結果。
優化目標：提高下壓力
與世界一級方程式錦標賽（F1）或者其他類似賽車競賽相比，FGS的主旨并不是評選最快的賽車，而是擁有最佳的整體設計理念的賽車，這就需要考慮到賽車的設計、預算、商業概念以及賽車性能等方面的綜合性能。其中，賽車性能的主要考核指標有動力性、操控性、加速性能、耐力和燃油效率等。
與普通車輛的空氣動力學性能相比，賽車的空氣動力學性能主要集中在下壓力的大小和分布，而阻力則是次要的。賽車的穩定性和操控性很大程度上取決于輪胎的性能，這直接關系到前后力之間的平衡。因此，優化前、后輪胎的載荷，可提高制動性能、轉向速度，從而提高穩定性。如果已經設計好了賽車的基本形狀，那么可以通過增加尾翼來控制前后車身下壓力之間的平衡。
在賽車中，尾翼對整車貢獻多達三分之一的下壓力。與航空尾翼相比，賽車尾翼主要有四個不同點。首先，賽車尾翼的主要功能是產生下壓力，而航空尾翼則是為了產生升力。此外，由于尾翼的設計工況需要考慮極端的地面效應，小展弦比的尾翼會與車身其他部分產生較強的相互作用。
如下圖所示：可以看到當受到側向力（例如由于轉向引起的慣性）時，輪胎發生側向滑移，使得輪胎運動方向與汽車行駛方向產生一個角度。增加垂直力（下壓力）可以使產生相同側向力的滑移距離更小。這意味著可以以相同的滑移為代價，實現較大的轉向力。
展開 與賽車速度平行的ANSYS氣流仿真分析，只因加載了HPC
本篇文章研究的重點是了解空氣動力學性能并量化在特定速度下作用于賽車的不同力，以了解氣流速度及其對賽車賽車穩定性的影響。
計算流體動力學（CFD）分析可深入了解汽車周圍的氣流、壓力和速度分布，以及計算空氣動力所需的參數。工程師們一般會建立具有虛擬駕駛員的賽車的3D CAD模型，因為模型的網格眾多，一般會通過HPC資源在ANSYS 19.0仿真環境中生成。
CFD模擬過程
1、利用ansys設計建模器，用虛擬駕駛員生成三維賽車模型。在賽車周圍模擬空氣量，進行外部流動模擬。
2、開發三維賽車的cfd網格模型。從網格面創建組以應用邊界條件。
3、將CFD模型導入Ansys Fluent Environment。確定需要建立和運行CFD模擬的核心數。
4、定義模型參數、流體特性和邊界條件。
5、定義求解器設置和求解算法。
6、提取賽車上用于計算賽車受力的壓力載荷，并評估其在氣動力作用下的穩定性。
在HPC資源支持的環境下求解了ansys fluent仿真軟件。仿真模型需要在三維賽車幾何體周圍精確地定義大量的精細網格元素。
展開 ANSYS仿真技術助力ORECA優化賽車設計
關于ORECA
ORECA最初是一支賽車車隊，經過40年的發展，其業務現已覆蓋整個賽車行業。ORECA車隊在所有賽車領域（單座賽車、拉力賽、拉力越野、房車、GT跑車）都贏得了勝利，其中包括勒芒24小時、代托納24小時、賽百靈12小時等賽事。ORECA Store是賽車裝備和配件領域的歐洲領先廠商之一，為賽車手和賽車愛好者提供了超過3萬款產品。ORECA Event是汽車、跑車和賽車娛樂領域的活動主辦方。此外，ORECA Technology不僅擁有出色的設計部門和許多不同的頂級設施，還加上歐洲頂級的引擎部門之一，因此其作為賽車制造商曾贏得了2015年勒芒24小時賽LM P2組冠軍。2016年，ORECA將成為勒芒覆蓋領域最廣的制造商，共有11款內部研發的賽車。
展開 ANSYS助力RICHARD CHILDRESS RACING提高賽車速度
多年合作伙伴協議將加速推進RCR的空氣動力學和工程項目發展
匹茲堡訊 – Richard Childress Racing (RCR) 與ANSYS (NASDAQ: ANSS) 簽訂的一項新的多年合作伙伴協議將幫助提高賽車速度。RCR將充分利用ANSYS無所不在的工程仿真（Pervasive Engineering SimulationTM）軟件優勢，從而更準確地預測機器性能，并通過真實的賽車數字孿生體來提高車輛在賽道上的速度。
賽道上的毫秒之差可決定哪個隊伍將獲得冠軍，因此NASCAR怪物能量飲料杯系列賽的參賽隊伍都必須不斷提高速度，以保持自身的競爭力。 2018 Chevrolet Camaro ZL1的數字孿生體將幫助RCR工程師更全面地了解實體賽車在各種賽道情況中的運行表現，而這些賽況通常無法進行實際測試。實體車輛上的傳感器和致動器可用來構建數字孿生體，以實現數據捕獲、實時分析監控和預測性維護測試，從而幫助工程師在比賽前優化車輛性能。
RCR利用ANSYS多物理場仿真軟件研發并改進了2018 Chevrolet Camaro ZL1汽車，該車將于本賽季正式亮相。RCR利用ANSYS技術降低了阻力，優化了賽車和懸架的結構組件，從而提高車速。通過更深入的合作，RCR的工程和空氣動力學團隊將進一步提高賽車性能，不斷優化空氣動力學性能，而且相對于傳統測試方法而言能夠大幅減少成本高昂的風洞測試時間。
RCR的首席技術官Eric Warren博士指出：“我們的競爭優勢是能夠在賽車的所有領域中采用仿真技術。與ANSYS的合作將幫助我們打造真正的數字孿生體，并設立性能研發和效率的新基準。”
ANSYS的機械、流體和電子副總裁兼總經理Shane Emswiler指出：“無論是賽道上還是賽場外，RCR是真正的創新先驅者。
展開 HyperWorks助力賽車更快、更好、更輕
行業：汽車
挑戰：如何在利用混合車架良好的維 護性和較低的生產成本優勢的 情況下將賽車整體重量保持在 同一水平，是隊員們面臨的極 大挑戰。
Altair 解決方案：使用 OptiStruct 工具進行了鋼 結構和復合材料結構優化分 析。
優點：提高車輛可維護性；節省時間和成本；減少材料和物理樣機使用 ； 減重
背景介紹
來自卡爾斯魯厄理工學院的學生方程式賽車隊 KA-RaceIng，每年都會研發、設計 并且制造一款賽車去參加學生方程式比賽，與世界上 270 個團隊一比高低。在賽車隊 工作期間，學生們獲得了寶貴的經驗和工程技術。在 6 個月內使用有限的資源生產一 輛賽車使在生產前優化結構和車架性能的計算機輔助工程設計工具變得不可或缺。隊員 們一個共同的設計目標是在滿足高剛度的條件下獲得最輕的車輛結構。與此同時，比賽 期間賽車的生產和維護成本應盡可能低。為達到這些目標 KA-RaceIng 車隊選擇使用 HyperWorks 工具。 KA- RaceIng車隊由卡爾斯魯厄大學(TH)的學生于2006年1月創立。只花了14個 月，他們就研制出了第一輛學生方程式賽車KIT2007，經過一個成功的賽季，他們獲得 了意大利汽車技術協會舉辦的方程式比賽的第六名并打進了德國霍根海姆學生方程式 賽車的十強，為此，該車隊還獲得了德國賽事“最佳新秀”獎。
挑戰
2011年，KA-RaceIng車隊的主要目標是改善賽車的可維護性。為獲得更好的發動 機和懸架性能，他們引入了混合車架設計思想，即在CFK硬殼的基礎上加入管狀鋼架以 取代以往賽季中使用的完全CFK硬殼結構。
展開 太陽能賽車的復合材料優化：利用 Altair OptiStruct 最小化車身和底盤重量
最終整個單體殼底盤僅重19kg，比Infinium賽車的重量輕大于20kg。類似的設計方法也被應用到上半部分，同樣節省約20kg。最后的50kg減重來自于Quantum賽車的電池。總而言之，OptiStruct求解器在優化Quantum賽車的碳纖維結構中扮演了極其重要的角色，并使團隊可以充分利用復合材料的優勢。
【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】
方程式賽車立柱優化設計
摘 要:方程式賽車立柱是整車最重要的部分之一，立柱受力復雜且屬于簧下質量。本文應用 solidThinking Inspire 軟件設計立柱模型，在滿足復雜受力的前提下實現立柱輕量化。
關鍵詞: 立柱優化 solidThinking Inspire
1 概述
中國大學生方程式汽車大賽（簡稱“中國 FSC”）是一項由高等院校汽車工程或汽車相關專業在校學生組隊參加的汽車設計與制造比賽。各參賽車隊按照賽事規則和賽車制造標準，在一年的時間內自行設計和制造出一輛在加速、制動、操控性等方面具有優異表現的小型單人座休閑賽車，能夠成功完成全部或部分賽事環節的比賽。中國大學生方程式汽車大賽于 2010 年在上海第一次舉辦， 經過三年發展參賽高校達到 40 多所，各車隊制造加工的賽車質量也不斷提高，競爭日益激烈。
立柱是賽車最重要的部分之一，其上連接有輪轂、懸架上下 A 臂和制動卡鉗，并且承載整車質量。制造加工中，立柱由自行設計加工得到。立柱受力復雜，容易出現問題。同時立柱屬于賽車的 簧下質量。減少賽車的簧下質量有助于提高賽車的操縱穩定性。所以在保證立柱足夠剛度的情況下需要盡量減小其質量。為降低質量采用材料為 7075 航空鋁材。
2 優化空間確定
立柱模型如圖 1 所示：
圖 1 優化前立柱模型
模型右側設計空間為制動卡鉗安裝位置（2 個安裝孔）。上部為上 A 臂支座安裝位置（2 個安裝孔）。下部為下 A 臂支座安裝位置（4 個安裝孔）。中間圓環為輪轂軸承安裝位置。
展開 2019中國大學生方程式賽車應用技術培訓
Altair一直致力于為全球的學生團隊提供最好的技術來設計和優化高性能、 輕量化且創新的賽車。今年我們也將一如既往地提供技術支持，為“2019中國大學生方程式汽車大賽”助力。
為幫助贊助車隊在2019賽季取得最佳成績，充分發揮Altair幾款優勢工具在車輛設計和優化中的作用，我們將面向所有贊助車隊推出三期網絡技術培訓，涵蓋HyperMesh、OptiStruct在方程式賽車中的最典型應用及最新功能，以幫助大學生車隊實現更快、更好、更輕的賽車設計目標。所有Altair贊助車隊均可報名參加，請點擊文末“立即報名”進行注冊。
同時，Altair也歡迎其他感興趣的人員注冊參加此次網絡技術培訓。
展開 Ansys碰撞測試仿真助力NASCAR驗證新一代賽車的安全性并降低成本
NASCAR利用 Ansys仿真進行虛擬碰撞測試，加速了Next Gen賽車的開發和驗證時間。
NASCAR賽車創新高級副總裁John Probst表示：“Next Gen賽車之所以能夠及時迎戰2022年賽季，Ansys LS-DYNA功不可沒。該工具能夠以高度可靠的結果對碰撞測試進行仿真，使我們能夠突破疫情期間的挑戰，并為物理碰撞測試做好了充分準備。”
NASCAR與Elemance公司通力合作，利用軟件內置的設計優化工具執行工程和仿真工作，通過仿真提高前后保險杠的防撞性能。
Ansys全球銷售和客戶卓越副總裁Walt Hearn表示：“Ansys的碰撞仿真軟件為用戶提供了獨特的條件，能夠以較高的置信度和精度，實現對眾多變量和條件進行安全分析、測試和可視化。除了提高安全性之外，虛擬測試還可顯著縮短研發與驗證時間，以及降低材料成本。我們很榮幸能夠看到Ansys仿真解決方案為NASCAR提供全方位的支持，助力Next Gen賽車積極迎戰2022年賽季。”
展開 Ansys碰撞測試仿真助力NASCAR驗證新一代賽車的安全性并降低成本
NASCAR利用 Ansys仿真進行虛擬碰撞測試，加速了Next Gen賽車的開發和驗證時間。
NASCAR賽車創新高級副總裁John Probst表示：“Next Gen賽車之所以能夠及時迎戰2022年賽季，Ansys LS-DYNA功不可沒。該工具能夠以高度可靠的結果對碰撞測試進行仿真，使我們能夠突破疫情期間的挑戰，并為物理碰撞測試做好了充分準備。”
NASCAR與Elemance公司通力合作，利用軟件內置的設計優化工具執行工程和仿真工作，通過仿真提高前后保險杠的防撞性能。
Ansys全球銷售和客戶卓越副總裁Walt Hearn表示：“Ansys的碰撞仿真軟件為用戶提供了獨特的條件，能夠以較高的置信度和精度，實現對眾多變量和條件進行安全分析、測試和可視化。除了提高安全性之外，虛擬測試還可顯著縮短研發與驗證時間，以及降低材料成本。我們很榮幸能夠看到Ansys仿真解決方案為NASCAR提供全方位的支持，助力Next Gen賽車積極迎戰2022年賽季。”
展開 