Każdy wie, czym jest aerodynamika samochodu. Im bardziej opływowe nadwozie, tym mniejsze opory ruchu i mniejsze zużycie paliwa. Taki samochód nie tylko zaoszczędzi Ci pieniądze, ale także wyrzuci mniej śmieci do środowiska. Odpowiedź jest prosta, ale daleka od pełnej. Specjaliści od aerodynamiki, dopasowując karoserię nowego modelu, dodatkowo:

• obliczyć rozkład wzdłuż osi windy, co jest bardzo ważne przy dużych prędkościach nowoczesnych samochodów,
• zapewnić dostęp powietrza do chłodzenia silnika i hamulców,
• zastanów się nad miejscami wlotu i wylotu powietrza do systemu wentylacji wnętrz,
• dążyć do zmniejszenia poziomu hałasu w kabinie,
• zoptymalizuj kształt części karoserii, aby zmniejszyć zanieczyszczenie szkła, luster i sprzętu oświetleniowego.

Co więcej, rozwiązanie jednego zadania często stoi w sprzeczności z realizacją drugiego. Na przykład zmniejszenie współczynnika oporu powietrza poprawia sprawność, ale jednocześnie zmniejsza odporność pojazdu na podmuchy bocznego wiatru. Dlatego eksperci muszą szukać rozsądnego kompromisu.

Zmniejszony opór

Od czego zależy siła oporu? Decydujący wpływ na to mają dwa parametry – współczynnik oporu aerodynamicznego Cx oraz powierzchnia przekroju pojazdu (na śródokręciu). Możesz zmniejszyć sekcję tułowia, obniżając i zwężając karoserię, ale na takie auto nie ma zbyt wielu nabywców. Dlatego głównym kierunkiem poprawy aerodynamiki samochodu jest optymalizacja opływu nadwozia, czyli zmniejszenie Cx. Współczynnik oporu Cx jest wielkością bezwymiarową, którą wyznacza się doświadczalnie. W przypadku nowoczesnych samochodów mieści się w przedziale 0,26-0,38. W źródłach zagranicznych współczynnik oporu jest czasami oznaczany jako Cd (współczynnik oporu). Korpus w kształcie kropli ma idealne usprawnienie, którego Cx wynosi 0,04. Podczas ruchu płynnie przecina prądy powietrza, które następnie bez przeszkód, bez przerw, zamykają się w jego „ogonie”.

Masy powietrza zachowują się inaczej, gdy samochód jest w ruchu. Tutaj opór powietrza składa się z trzech elementów:

• opór wewnętrzny, gdy powietrze przechodzi przez komorę silnika i wnętrze,
• opór tarcia prądów powietrza na zewnętrznych powierzchniach ciała i
• tworzą opór.

Trzeci składnik ma największy wpływ na aerodynamikę samochodu. W ruchu samochód kompresuje znajdujące się przed nim masy powietrza, tworząc obszar zwiększonego ciśnienia. Strumienie powietrza opływają ciało, a tam, gdzie się kończy, przepływ powietrza zostaje oddzielony, powstaje turbulencja i obszar zmniejszonego ciśnienia. W ten sposób obszar wysokiego ciśnienia z przodu zapobiega poruszaniu się samochodu do przodu, a obszar niskiego ciśnienia z tyłu „zasysa” go z powrotem. Siła wirów i wielkość obszaru niskiego ciśnienia są określone przez kształt tylnej części ciała.

Najlepsze osiągi aerodynamiczne wykazują samochody ze schodkową częścią tylną - sedany i coupe. Wyjaśnienie jest proste – strumień powietrza, który spadł z dachu, natychmiast pada na klapę bagażnika, gdzie normalizuje się, a następnie w końcu odrywa od jego krawędzi. Przepływy boczne padają również na bagażnik, co zapobiega powstawaniu szkodliwych wirów za samochodem. Dlatego im wyższa i dłuższa pokrywa bagażnika, tym lepsze właściwości aerodynamiczne. W dużych sedanach i coupé czasami można nawet uzyskać ciągły przepływ wokół nadwozia. Lekkie zwężenie tyłu również pomaga obniżyć Cx. Krawędź pnia jest ostra lub w formie niewielkiego występu - zapewnia to oddzielenie strumienia powietrza bez turbulencji. W efekcie obszar podciśnienia za pojazdem jest niewielki.

Podwozie samochodu również wpływa na jego aerodynamikę. Wystające elementy zawieszenia i układu wydechowego zwiększają opór. Aby to zmniejszyć starają się maksymalnie wygładzić dno lub zakryć osłonami wszystko, co „wystaje” poniżej zderzaka. Czasami montowany jest mały przedni spoiler. Spoiler ogranicza przepływ powietrza pod pojazdem. Ale tutaj ważne jest, aby wiedzieć, kiedy przestać. Duży spojler znacznie zwiększy opór, ale auto będzie lepiej „przykuwać się” do drogi. Ale więcej o tym w następnej sekcji.

Siła docisku

Gdy samochód jest w ruchu, przepływ powietrza pod jego dnem przebiega w linii prostej, a górna część strumienia zagina się wokół nadwozia, czyli pokonuje dłuższą drogę. Dlatego prędkość górnego przepływu jest wyższa niż dolnego. A zgodnie z prawami fizyki im wyższa prędkość powietrza, tym niższe ciśnienie. W konsekwencji pod spodem powstaje obszar zwiększonego nacisku, a na górze zmniejszony. To tworzy windę. I choć jego wartość jest niewielka, problem polega na tym, że jest nierównomiernie rozłożony wzdłuż osi. Jeśli przednia oś jest obciążona strumieniem, który naciska na maskę i przednią szybę, to tylna oś jest dodatkowo odciążana przez strefę podciśnienia utworzoną za samochodem. Dlatego wraz ze wzrostem prędkości spada stabilność i samochód staje się podatny na poślizg.

Konstruktorzy konwencjonalnych samochodów produkcyjnych nie muszą wymyślać żadnych specjalnych środków do walki z tym zjawiskiem, ponieważ to, co robi się w celu poprawy aerodynamiczności, jednocześnie zwiększa siłę docisku. Na przykład optymalizacja tylnej części zmniejsza strefę podciśnienia za pojazdem, a tym samym zmniejsza udźwig. Spłaszczenie podwozia nie tylko zmniejsza opory ruchu powietrza, ale także zwiększa prędkość przepływu, a tym samym zmniejsza ciśnienie pod pojazdem. To z kolei prowadzi do spadku siły nośnej. Podobnie tylny spojler spełnia dwa zadania. Nie tylko zmniejsza tworzenie się wirów, poprawiając Cx, ale także jednocześnie popycha samochód na drogę dzięki odpychającemu go strumieniowi powietrza. Czasami tylny spojler jest zaprojektowany wyłącznie w celu zwiększenia siły docisku. W tym przypadku jest duży i przechylony lub chowany, wchodząc do pracy tylko przy dużych prędkościach.

W przypadku modeli sportowych i wyścigowych opisane środki będą oczywiście nieskuteczne. Aby utrzymać je na drodze, musisz wytworzyć dużą siłę docisku. W tym celu zastosowano duży przedni spoiler, boczne progi i panele błotników. Ale montowane w samochodach produkcyjnych, elementy te będą odgrywać jedynie rolę dekoracyjną, ciesząc dumę właściciela. Nie przyniosą żadnych praktycznych korzyści, a wręcz przeciwnie, zwiększą odporność na ruch. Nawiasem mówiąc, wielu kierowców myli spoiler ze skrzydłem, chociaż dość łatwo je odróżnić. Spoiler jest zawsze dociskany do karoserii, tworząc z nim jedną całość. Skrzydło jest zainstalowane w pewnej odległości od ciała.

Praktyczna aerodynamika

Przestrzeganie kilku prostych zasad pozwoli Ci uzyskać oszczędności z powietrza poprzez zmniejszenie zużycia paliwa. Jednak te wskazówki przydadzą się tylko tym, którzy często i dużo jeżdżą po autostradzie.

Podczas jazdy znaczna część mocy silnika jest zużywana na pokonanie oporów powietrza. Im wyższa prędkość, tym wyższy opór (a co za tym idzie zużycie paliwa). Dlatego zmniejszając prędkość nawet o 10 km/h zaoszczędzisz nawet 1 litr na 100 km. W takim przypadku strata czasu będzie znikoma. Jednak ta prawda jest znana większości kierowców. Ale inne „aerodynamiczne” subtelności nie są wszystkim znane.

Zużycie paliwa uzależnione jest od współczynnika oporu i pola przekroju pojazdu. Jeśli uważasz, że te parametry są ustawione fabrycznie, a właściciel samochodu nie może ich zmienić, to się mylisz! Ich zmiana wcale nie jest trudna, a można osiągnąć zarówno pozytywne, jak i negatywne efekty.

Co zwiększa koszt? Obciążenie dachu nadmiernie „zjada” paliwo. A nawet usprawnione pudełko zajmie co najmniej litr na sto. Szyby i właz otwierane podczas ruchu spalają paliwo nieracjonalnie. Jeśli nosisz długi ładunek z lekko otwartym bagażnikiem, również zostaniesz przekroczony. Różne elementy ozdobne, takie jak owiewka na masce ("swatter"), "osłona na zderzak", skrzydło i inne elementy własnego tuningu, choć przyniosą estetyczną przyjemność, sprawią, że wydasz dodatkowe pieniądze. Zajrzyj pod spód - będziesz musiał dodatkowo zapłacić za wszystko, co ugina się i wygląda poniżej linii progowej. Nawet tak drobiazg jak brak plastikowych nakładek na stalowych felgach zwiększa zużycie. Każdy z wymienionych czynników lub części z osobna nie zwiększa zbytnio zużycia - od 50 do 500 g na 100 km. Ale jeśli zsumujemy wszystko, znowu „przejedzie” o litr na sto. Obliczenia te obowiązują dla małych samochodów poruszających się z prędkością 90 km/h. Właściciele dużych samochodów i miłośnicy wyższych prędkości uwzględniają zwiększone zużycie.

Jeśli wszystkie powyższe warunki zostaną spełnione, unikniemy niepotrzebnych wydatków. Czy możliwe jest dalsze ograniczanie strat? Mogą! Będzie to jednak wymagało trochę zewnętrznego tuningu (mówimy oczywiście o profesjonalnie wykonanych elementach). Przedni aerodynamiczny body kit nie pozwala, aby przepływ powietrza "rozerwał się" pod dnem auta, nakładki na progi zakrywają wystającą część kół, spoiler zapobiega powstawaniu turbulencji za "rufą" auta. Chociaż spoiler zwykle jest już zawarty w konstrukcji nadwozia nowoczesnego samochodu.

Tak więc uzyskanie oszczędności z powietrza jest całkiem realne.

Obecne rozporządzenie pozwala zespołom testować modele samochodów w tunelu aerodynamicznym, które nie przekraczają 60% skali. W rozmowie z F1Racing były dyrektor zespołu Renault, Pat Symonds, opowiedział o specyfice tej pracy...

Pat Symonds: „Dzisiaj wszystkie zespoły pracują z modelami w skali 50% lub 60%, ale nie zawsze tak było. Pierwsze testy aerodynamiczne w latach 80-tych przeprowadzono z makietami na 25% rzeczywistej wartości – moc tuneli aerodynamicznych na Uniwersytecie Southampton i Imperial College w Londynie nie pozwalała na więcej – tylko tam udało się zamontować modele na ruchomej podstawie. Potem pojawiły się tunele aerodynamiczne, w których można było pracować z modelami na poziomie 33% i 50%, a teraz, ze względu na konieczność ograniczenia kosztów, zespoły zgodziły się na testowanie modeli nie więcej niż 60% przy natężeniu przepływu powietrza nie ponad 50 metrów na sekundę.

Wybierając skalę modelu, ekipy opierają się na możliwościach istniejącego tunelu aerodynamicznego. Aby uzyskać dokładne wyniki, wymiary modelu nie powinny przekraczać 5% części obszaru roboczego rury. Wytwarzanie modeli w mniejszej skali jest tańsze, ale im mniejszy model, tym trudniej utrzymać wymaganą dokładność. Podobnie jak w wielu innych kwestiach związanych z rozwojem samochodów Formuły 1, tutaj musisz znaleźć najlepszy kompromis.

Dawniej modele wykonywano z drewna rosnącego w Malezji drzewa Diera, które ma niską gęstość, obecnie stosuje się sprzęt do stereolitografii laserowej – wiązka lasera podczerwonego polimeryzuje materiał kompozytowy, uzyskując przy wyjście. Metoda ta pozwala w ciągu kilku godzin przetestować skuteczność nowego pomysłu inżynierskiego w tunelu aerodynamicznym.

Im dokładniej model jest wykonywany, tym bardziej wiarygodne są informacje uzyskane podczas jego czyszczenia. Tutaj każdy drobiazg jest ważny, nawet przez rury wydechowe, przepływ gazów musi przebiegać z taką samą prędkością, jak w prawdziwym samochodzie. Zespoły starają się osiągnąć najwyższą możliwą dokładność symulacji dla dostępnego sprzętu.

Przez wiele lat zamiast opon używali wielkoformatowych kopii nylonu lub włókna węglowego, poważny postęp nastąpił, gdy Michelin wykonał dokładne pomniejszone kopie swoich opon wyścigowych. Model maszyny wyposażony jest w różnorodne czujniki do pomiaru ciśnienia powietrza oraz system pozwalający na zmianę balansu.

Modele, w tym zainstalowany na nich sprzęt pomiarowy, są nieco tańsze niż prawdziwe maszyny - na przykład są droższe niż prawdziwe maszyny GP2. To właściwie bardzo trudna decyzja. Podstawowa rama z czujnikami kosztuje około 800 tys. dolarów, może służyć przez kilka lat, ale zazwyczaj ekipy mają dwa zestawy, żeby nie przestać działać.

Każda modyfikacja elementów nadwozia czy zawieszenia pociąga za sobą konieczność wyprodukowania nowej wersji body kitu, co kosztuje kolejne ćwierć miliona. Jednocześnie sama eksploatacja tunelu aerodynamicznego kosztuje około tysiąca dolarów za godzinę i wymaga obecności 90 pracowników. Poważne zespoły wydają na te badania około 18 milionów dolarów w sezonie.

Koszty się zwracają. Zwiększenie siły docisku o 1% pozwala odzyskać jedną dziesiątą sekundy na prawdziwym torze. W warunkach stabilnych przepisów inżynierowie grają o tyle miesięcznie, że tylko w dziale modelarskim co dziesiąty kosztuje zespół pół miliona dolarów.”

Dziś zapraszamy do zapoznania się z tym, co to jest, dlaczego jest potrzebne i w którym roku ta technologia pojawiła się po raz pierwszy na świecie.

Bez aerodynamiki samochody i samoloty, a nawet bobsleje są po prostu obiektami poruszającymi wiatr. Jeśli nie ma aerodynamiki, wiatr porusza się nieefektywnie. Nauka o badaniu skuteczności usuwania przepływu powietrza nazywana jest aerodynamiką. Aby stworzyć pojazd, który skutecznie odwróciłby prądy powietrza, zmniejszając opór powietrza, potrzebny jest tunel aerodynamiczny, w którym inżynierowie sprawdzają skuteczność oporu aerodynamicznego powietrza części samochodowych.

Błędnie uważa się, że aerodynamika istnieje od czasu wynalezienia tunelu aerodynamicznego. Ale tak nie jest. Właściwie pojawił się w XIX wieku. Początki tej nauki rozpoczęły się w 1871 roku od braci Wright, którzy są projektantami i twórcami pierwszego na świecie samolotu. Dzięki nim aeronautyka zaczęła się rozwijać. Cel był tylko jeden - próba zbudowania samolotu.

Początkowo bracia przeprowadzali testy w tunelu kolejowym. Ale możliwości tunelu do badania przepływów powietrza były ograniczone. Dlatego nie byli w stanie stworzyć prawdziwego samolotu, ponieważ do tego konieczne było, aby nadwozie samolotu spełniało najbardziej rygorystyczne wymagania aerodynamiczne.

Dlatego w 1901 roku bracia zbudowali własny tunel aerodynamiczny. W efekcie, według niektórych danych, w tej tubie przetestowano około 200 samolotów i poszczególne kadłuby prototypów o różnych kształtach. Zbudowanie pierwszego w historii prawdziwego samolotu zajęło braciom jeszcze kilka lat. Tak więc w 1903 roku bracia Wright pomyślnie przetestowali pierwszy na świecie, który utrzymywał się w powietrzu przez 12 sekund.

Co to jest tunel aerodynamiczny?

To proste urządzenie, które składa się z zamkniętego tunelu (o dużej pojemności), przez który strumienie powietrza dostarczane są przez potężne wentylatory. W tunelu aerodynamicznym umieszczany jest przedmiot, na którym zaczynają się karmić. Również w nowoczesnych tunelach aerodynamicznych specjaliści mają możliwość dostarczania ukierunkowanych strumieni powietrza do określonych elementów karoserii lub dowolnego pojazdu.

Testy w tunelach aerodynamicznych zyskały ogromną popularność podczas Wielkiej Wojny Ojczyźnianej w latach 40-tych. Na całym świecie resorty wojskowe prowadzą badania nad aerodynamiką sprzętu wojskowego i amunicji. Po wojnie zakończyły się wojskowe badania aerodynamiczne. Jednak uwagę na aerodynamikę zwrócili inżynierowie, którzy projektują sportowe samochody wyścigowe. Potem tę modę podchwycili projektanci i samochody osobowe.

Wynalezienie tunelu aerodynamicznego umożliwiło technikom testowanie pojazdów, które stały w miejscu. Następnie dostarczane są strumienie powietrza i powstaje ten sam efekt, który obserwuje się, gdy maszyna jest w ruchu. Nawet podczas testowania samolotu obiekt pozostaje nieruchomy. Dostosowano tylko do symulacji określonej prędkości pojazdu.

Dzięki aerodynamice zarówno sportowe, jak i proste samochody zaczęły nabierać gładszych linii i zaokrąglonych elementów nadwozia zamiast kwadratowych kształtów.

Czasami cały pojazd może nie być potrzebny do badań. Często można użyć normalnego układu w naturalnej wielkości. W rezultacie eksperci określają poziom odporności na wiatr.

Współczynnik oporu wiatru zależy od tego, jak wiatr porusza się wewnątrz rury.

Nowoczesne tunele aerodynamiczne to w zasadzie gigantyczna suszarka do włosów dla twojego samochodu. Na przykład jeden ze słynnych tuneli aerodynamicznych znajduje się w Północnej Karolinie w USA, gdzie prowadzone są badania stowarzyszenia. Dzięki tej rurze inżynierowie modelują samochody zdolne do poruszania się z prędkością 290 km/h.

W tę budowę zainwestowano około 40 milionów dolarów. Fajka rozpoczęła swoją pracę w 2008 roku. Głównymi inwestorami są stowarzyszenie wyścigowe NASCAR i właściciel wyścigów Gene Haas.

Oto wideo z tradycyjnego testu w tej tubie:

Od pojawienia się pierwszego w historii tunelu aerodynamicznego inżynierowie zdali sobie sprawę, jak ważny jest ten wynalazek dla wszystkich. W rezultacie zwrócili na to uwagę projektanci samochodów, którzy zaczęli opracowywać technologie badania przepływów powietrza. Ale technologia nie stoi w miejscu. Obecnie wiele badań i obliczeń wykonuje się na komputerze. Najbardziej niesamowite jest to, że nawet testy aerodynamiczne są przeprowadzane w specjalnych programach komputerowych.

Wirtualny model 3D maszyny służy jako obiekt testowy. Komputer odtwarza następnie różne warunki testowania aerodynamiki. To samo podejście zaczęło ewoluować w przypadku testów zderzeniowych. to nie tylko pozwala zaoszczędzić pieniądze, ale także nie pozwala na uwzględnienie wielu parametrów podczas testowania.

Tak jak w prawdziwych testach zderzeniowych, budowa tunelu aerodynamicznego i testowanie w nim jest bardzo kosztowne. Na komputerze koszt może wynosić zaledwie kilka dolarów.

To prawda, babcie i dziadkowie oraz zwolennicy starych technologii będą nadal mówić, że prawdziwy świat jest lepszy niż komputery. Ale XXI wiek to XXI wiek. Dlatego nieuniknione jest, że w niedalekiej przyszłości wiele prawdziwych testów zostanie wykonanych w całości na komputerze.

Choć warto zauważyć, że nie jesteśmy przeciwni testom komputerowym, mamy nadzieję, że prawdziwe testy w tunelu aerodynamicznym i konwencjonalne testy zderzeniowe nadal pozostaną w motoryzacji.

Wstęp.

Dzień dobry, drodzy czytelnicy. W tym poście chcę powiedzieć, jak za pomocą wewnętrznej analizy w symulacji przepływu wykonać zewnętrzną analizę części lub konstrukcji w celu określenia współczynnika oporu i siły wynikowej. Rozważ także utworzenie lokalnej siatki i ustawienie celów wyrażenia docelowego, aby uprościć i zautomatyzować obliczenia. Podam podstawowe pojęcia dotyczące współczynnika oporu. Wszystkie te informacje pomogą Ci szybko i kompetentnie zaprojektować kiepski produkt i wydrukować go do praktycznego wykorzystania w przyszłości.

Materiały.

Współczynnik oporu powietrza (zwany dalej CAS) jest określany eksperymentalnie podczas testów w tunelu aerodynamicznym lub testów podczas wybiegu. Definicja CAS pochodzi ze wzoru 1

Formuła 1

RSM w różnych postaciach waha się w szerokim zakresie. Rysunek 1 pokazuje te współczynniki dla wielu kształtów. W każdym przypadku zakłada się, że powietrze napływające na nadwozie nie ma składowej bocznej (to znaczy porusza się prosto wzdłuż osi podłużnej pojazdu). Zauważ, że prosta płaska płyta ma współczynnik oporu równy 1,95. Współczynnik ten oznacza, że ​​siła oporu jest 1,95 razy większa niż ciśnienie dynamiczne działające na powierzchnię płyty. Niezwykle wysoki opór tworzony przez płytę wynika z faktu, że powietrze opływające wokół płyty tworzy obszar separacji znacznie większy niż sama płyta.

Obrazek 1.

W życiu oprócz składowej wiatru wynikającej z prędkości pojazdu brana jest pod uwagę prędkość wiatru na pojeździe. Aby określić natężenie przepływu, prawdziwe jest następujące stwierdzenie: V = Vauto + Vwind.
Jeśli znaleziony wiatr jest odpowiedni, prędkość jest odejmowana.
Współczynnik oporu jest potrzebny do określenia oporu, ale w tym artykule rozważymy tylko sam współczynnik.

Wstępne dane.

Obliczenia przeprowadzono w Solidworks 2016, moduł symulacji przepływu (dalej FS). Jako dane wyjściowe przyjęto następujące parametry: prędkość wynikającą z prędkości pojazdu V = 40 m/s, temperaturę otoczenia plus 20 stopni Celsjusza, gęstość powietrza 1,204 kg/m3. Model geometryczny samochodu przedstawiono w sposób uproszczony (patrz rysunek 2).

Rysunek 2.

Etapy ustawiania warunków początkowych i brzegowych w symulacji przepływu.

Proces dodawania modułu FS i ogólna zasada tworzenia zadania do obliczeń są opisane w tym, ale opiszę cechy charakterystyczne dla analizy zewnętrznej poprzez analizę wewnętrzną.

1. Pierwszym krokiem jest dodanie modelu do obszaru roboczego.

Rysunek 2.

2. Następnie symulujemy prostokątną komorę aerodynamiczną. Główną cechą modelowania jest brak końcówek, w przeciwnym razie nie będziemy w stanie ustawić warunków brzegowych. Model samochodu powinien znajdować się pośrodku. Szerokość rurki musi odpowiadać 1,5*szerokości modelu w obu kierunkach, długość rurki 1,5*długość modelu, od tyłu modelu oraz 2*długość auta od zderzaka, wysokość rury 1,5 * wysokość samochodu od płaszczyzny, na której stoi samochód.

Rysunek 3.

3. Wchodzimy do modułu FS. Ustawiamy warunki brzegowe na pierwszej ścianie przepływu wejściowego.

Rysunek 4.

Wybierz typ: przepływ / prędkość -> prędkość wejściowa. Ustalamy naszą prędkość. Wybierz krawędź równoległą do przodu samochodu. Kliknij pole wyboru.

Rysunek 5.

Warunek brzegowy ustawiamy przy wyjściu. Wybieramy rodzaj: ciśnienie, domyślnie zostawiamy wszystko. Naciskamy św.

Tak więc warunki brzegowe są ustawione, przechodzimy do zadania do obliczeń.

4. Kliknij kreatora projektu i postępuj zgodnie z instrukcjami na poniższych obrazkach.

Rysunek 6.

Rysunek 7.

Cyfra 8.

Rysunek 9.

Rysunek 10.

Rysunek 11.

Na koniec wszystko zostawiamy bez zmian. Kliknij Zakończ.

5. Na tym etapie zajmiemy się zarządzaniem i tworzeniem lokalnej siatki. Kliknij drzewo elementów FS na elemencie: siatka, kliknij prawym przyciskiem myszy i wybierz: dodaj siatkę lokalną.

Rysunek 12.

Rysunek 13.

Tutaj można określić parametry i obszar siatki lokalnej; w przypadku modeli złożonych ustawiany jest również kąt krzywizny i minimalny rozmiar elementu. Minimalny rozmiar jest określony w kolumnie „zamykanie wąskich szczelin”. Funkcja ta znacznie skraca czas obliczeń i zwiększa dokładność uzyskiwanych danych. W zależności od tego, jak dokładnie chcesz uzyskać wyniki, ustawiany jest parametr podziału siatki. Standardowe ustawienia są odpowiednie do analizy wewnętrznej. Następnie zostanie pokazane renderowanie siatki na powierzchni.

6. Przed rozpoczęciem obliczeń musisz ustawić cele obliczeniowe. Cele są ustawiane w drzewie celów FS. Na początek ustalamy globalne cele, dobieramy mocne strony dla każdego komponentu.

Rysunek 14.

Następnie musimy zdefiniować "wyrażenia docelowe". Aby to zrobić, kliknij prawym przyciskiem myszy cel w drzewie FS i wybierz „wyrażenie docelowe”. Najpierw ustalmy równania siły wynikowej.

Rysunek 15.

Aby składnik według siły został użyty w wyrażeniu, należy go kliknąć lewym przyciskiem myszy, w formule pojawi się link do składnika. Tutaj wprowadzamy formułę 2. Kliknij pole wyboru.

Formuła 2.

Utwórz drugie „wyrażenie docelowe”, zapisz tam formułę 1.

Rysunek 16.

Dla przedniej szyby obliczany jest RSM. W tym modelu przednia szyba jest nachylona, ​​krawędź jest nachylona pod kątem 155 stopni, więc siła X jest mnożona przez grzech (155*(pi/180)). Należy pamiętać, że obliczenia przeprowadza się zgodnie z systemem si i odpowiednio powierzchnię pochylonej powierzchni należy mierzyć w metrach kwadratowych.

7. Teraz możesz rozpocząć obliczenia, rozpocząć obliczenia.

Rysunek 17.

Rozpoczynając obliczenia, program daje możliwość wyboru, co robić obliczenia, możemy wybrać liczbę rdzeni biorących udział w obliczeniach i stanowisk roboczych.

Rysunek 18.

Ponieważ zadanie nie jest trudne, obliczenie zajmuje mniej niż minutę, dlatego po uruchomieniu wciśniemy pauzę.

Rysunek 19.

Teraz kliknij przycisk „wstaw wykres”, wybierz nasze docelowe wyrażenia.

Rysunek 20.

Wykres pokaże wartości dla naszych wyrażeń dla każdej iteracji.

Możesz skorzystać z „podglądu”, aby obserwować trwający proces podczas obliczeń. Po włączeniu podglądu wydłuża się czas naszych obliczeń, ale nie ma z tego większego sensu, więc nie polecam włączania tej opcji, ale pokażę jak to wygląda.

Rysunek 21.

Rysunek 22.

To, że fabuła jest odwrócona, nie jest wielkim problemem, zależy to od orientacji modelu.

Kalkulacja kończy się, gdy wszystkie cele się zgadzają.

Rysunek 23.

Wyniki powinny zostać wczytane automatycznie, jeśli tak się nie stało, przeładuj ręcznie: narzędzia-> FS-> wyniki-> wczytaj z pliku

8. Po obliczeniach możesz zobaczyć siatkę na modelu.

Żaden samochód nie przejedzie przez ceglany mur, ale codziennie przejeżdża przez ściany z powietrza, które również ma gęstość.

Nikt nie postrzega powietrza ani wiatru jako ściany. Przy niskich prędkościach, przy spokojnej pogodzie trudno jest zobaczyć, jak przepływ powietrza oddziałuje na pojazd. Jednak przy dużej prędkości, przy silnym wietrze, opór powietrza (siła wywierana na poruszający się w powietrzu obiekt – określany również jako opór) ma duży wpływ na to, jak samochód przyspiesza, na ile można nim sterować i jak zużywa paliwo.

W tym miejscu do gry wkracza nauka aerodynamiki, która bada siły generowane przez ruch obiektów w powietrzu. Nowoczesne samochody projektowane są z myślą o aerodynamice. Samochód z dobrą aerodynamiką przechodzi przez ścianę powietrza jak nóż przez masło.

Ze względu na małe opory przepływu powietrza, takie auto lepiej przyspiesza i lepiej spala paliwo, gdyż silnik nie musi wydawać niepotrzebnych sił na „przepychanie” auta przez ścianę powietrzną.

Aby poprawić aerodynamikę samochodu, nadwozie zostało zaokrąglone tak, aby kanał powietrzny opływał samochód z najmniejszym oporem. W samochodach sportowych kształt nadwozia ma na celu skierowanie przepływu powietrza głównie wzdłuż dolnej części, wtedy zrozumiesz dlaczego. Umieszczają również skrzydło lub spoiler na bagażniku samochodu. Skrzydło dociska tył samochodu, aby zapobiec podnoszeniu się tylnych kół, ze względu na silny przepływ powietrza, gdy samochód porusza się z dużą prędkością, co sprawia, że ​​samochód jest bardziej stabilny. Nie wszystkie tylne błotniki są takie same i nie wszystkie są wykorzystywane zgodnie z ich przeznaczeniem, niektóre służą jedynie jako element wystroju samochodu, który nie pełni bezpośredniej funkcji aerodynamicznej.

Nauka aerodynamiki

Zanim porozmawiamy o aerodynamice samochodowej, przyjrzyjmy się podstawom fizyki.

Gdy obiekt porusza się w atmosferze, wypiera otaczające powietrze. Obiekt podlega również grawitacji i oporowi. Opór powstaje, gdy ciało stałe porusza się w ciekłym medium - wodzie lub powietrzu. Opór wzrasta wraz z prędkością obiektu - im szybciej porusza się w przestrzeni, tym większy opór napotyka.

Mierzymy ruch obiektu za pomocą czynników opisanych w prawach Newtona - masy, prędkości, ciężaru, siły zewnętrznej i przyspieszenia.

Opór bezpośrednio wpływa na przyspieszenie. Przyspieszenie (a) obiektu = jego masa (W) minus opór (D) podzielony przez jego masę (m). Przypomnijmy, że ciężar jest iloczynem masy ciała i przyspieszenia grawitacyjnego. Na przykład na Księżycu waga osoby zmieni się z powodu braku grawitacji, ale masa pozostanie taka sama. Mówiąc prosto:

Gdy obiekt przyspiesza, prędkość i opór rosną aż do punktu końcowego, w którym opór staje się równy ciężarowi – obiekt nie będzie już przyspieszał. Wyobraźmy sobie, że naszym obiektem w równaniu jest samochód. W miarę jak samochód porusza się coraz szybciej, coraz więcej powietrza stawia opór jego ruchowi, ograniczając samochód do maksymalnego przyspieszenia przy określonej prędkości.

Dochodzimy do najważniejszej liczby - współczynnika oporu aerodynamicznego. Jest to jeden z głównych czynników decydujących o tym, jak łatwo obiekt porusza się w powietrzu. Współczynnik oporu powietrza (Cd) oblicza się według następującego wzoru:

Cd = D / (A * r * V / 2)

Gdzie D to opór, A to powierzchnia, r to gęstość, V to prędkość.

Współczynnik oporu aerodynamicznego w samochodzie

Odkryliśmy, że współczynnik oporu powietrza (Cd) jest wielkością mierzącą siłę oporu powietrza przyłożoną do obiektu, takiego jak samochód. Teraz wyobraź sobie, że siła powietrza wywiera nacisk na samochód poruszający się po drodze. Przy prędkości 110 km/h działa na nią siła czterokrotnie większa niż przy prędkości 55 km/h.

Właściwości aerodynamiczne samochodu są mierzone współczynnikiem oporu. Im niższa wartość Cd, tym lepsza aerodynamika samochodu i tym łatwiej będzie przelatywać przez ścianę powietrza, która na niego napiera z różnych kierunków.

Rozważ wskaźniki Cd. Pamiętacie kanciaste, pudełkowate Volvo z lat 70. i 80.? Stary sedan Volvo 960 ma współczynnik oporu powietrza 0,36. Nowe nadwozia Volvo mają gładką i gładką karoserię, dzięki czemu współczynnik sięga 0,28. Gładsze i bardziej opływowe kształty wykazują lepszą aerodynamikę niż kanciaste i kwadratowe.

Powody, dla których aerodynamika uwielbia smukłe kształty

Pamiętajmy o najbardziej aerodynamicznej rzeczy w naturze - łzie. Łza jest okrągła i gładka ze wszystkich stron i zwęża się u góry. Gdy łza spada, powietrze opływa ją łatwo i płynnie. Również w samochodach – powietrze przepływa swobodnie po gładkiej, zaokrąglonej powierzchni, zmniejszając opór powietrza na ruch obiektów.

Obecnie większość modeli ma średni współczynnik oporu 0,30. SUV-y mają współczynnik oporu wynoszący od 0,30 do 0,40 lub więcej. Powodem wysokiego współczynnika są wymiary. Land Cruisery i Gelendvagen mieszczą więcej pasażerów, mają większą przestrzeń ładunkową, większe kratki chłodzące silnik, stąd kwadratowa konstrukcja. Przetworniki, których konstrukcja jest celowo kwadratowa, mają Cd większe niż 0,40.

Konstrukcja nadwozia jest kontrowersyjna, ale aerodynamiczny kształt samochodu jest orientacyjny. Współczynnik oporu Toyoty Prius wynosi 0,24, więc zużycie paliwa przez samochód jest niskie, nie tylko ze względu na napęd hybrydowy. Pamiętaj, że każdy minus 0,01 we współczynniku zmniejsza zużycie paliwa o 0,1 litra na 100 kilometrów.

Słabe modele przeciągania:

Modele o dobrym oporze aerodynamicznym:

Techniki poprawiające aerodynamikę istnieją od dawna, ale producenci samochodów zaczęli ich używać przy tworzeniu nowych pojazdów dopiero po pewnym czasie.

Modele pierwszych samochodów, które się pojawiły, nie mają nic wspólnego z koncepcją aerodynamiki. Przyjrzyj się modelowi T Forda - samochód bardziej przypomina zaprzęg konny bez konia - zwycięzca w konkursie na projekt kwadratu. Prawdę mówiąc, większość modeli była pionierami i nie potrzebowała aerodynamicznej konstrukcji, ponieważ jechała wolno, nie było czemu się oprzeć przy tej prędkości. Jednak samochody wyścigowe z początku XX wieku zaczęły się stopniowo kurczyć, aby wygrać konkurencję dzięki aerodynamice.

W 1921 r. niemiecki wynalazca Edmund Rumpler stworzył Rumpler-Tropfenauto, co po niemiecku oznacza „samochód - łza”. Zainspirowany najbardziej aerodynamicznym kształtem natury, kształtem łzy, ten model miał współczynnik oporu 0,27. Projekt Rumpler-Tropfenauto nigdy nie został rozpoznany. Rumplerowi udało się stworzyć tylko 100 jednostek Rumpler-Tropfenauto.

W Ameryce skok w aerodynamice nastąpił w latach 30. XX wieku wraz z Chrysler Airflow. Zainspirowani lotem ptaków, inżynierowie zaprojektowali Airflow z myślą o aerodynamice. Aby poprawić prowadzenie, ciężar samochodu został równomiernie rozłożony na przednią i tylną oś - 50/50. Zmęczone wielkim kryzysem społeczeństwo nigdy nie przyjęło niekonwencjonalnego wyglądu Chrysler Airflow. Model uznano za porażkę, chociaż opływowy projekt Chryslera Airflow znacznie wyprzedzał swoje czasy.

Lata 50. i 60. przyniosły największe postępy w aerodynamice samochodowej, które wyszły ze świata wyścigów. Inżynierowie zaczęli eksperymentować z różnymi kształtami nadwozia, wiedząc, że opływowy kształt przyspieszy samochody. Tak narodziła się forma samochodu wyścigowego, która przetrwała do dziś. Przednie i tylne spojlery, nosy w kształcie łopaty i zestawy aerodynamiczne służyły temu samemu celowi, kierując przepływ powietrza przez dach i zapewniając niezbędną siłę docisku na przednie i tylne koła.

Powodzenie eksperymentów ułatwił tunel aerodynamiczny. W dalszej części naszego artykułu powiemy Ci, dlaczego jest to potrzebne i dlaczego jest ważne przy projektowaniu samochodu.

Pomiar oporu w tunelu aerodynamicznym

Aby zmierzyć wydajność aerodynamiczną samochodu, inżynierowie pożyczyli narzędzie z przemysłu lotniczego - tunel aerodynamiczny.

Tunel aerodynamiczny to tunel z potężnymi wentylatorami, które tworzą przepływ powietrza nad obiektem wewnątrz. Samochód, samolot lub coś innego, w przypadku którego inżynierowie mierzą opór powietrza. Z pomieszczenia za tunelem naukowcy obserwują, jak powietrze wchodzi w interakcję z obiektem i jak powietrze przepływa po różnych powierzchniach.

Samochód lub samolot w tunelu aerodynamicznym nie porusza się, ale wentylatory dmuchają powietrzem z różnymi prędkościami, aby symulować rzeczywiste warunki. Czasami prawdziwe samochody nie są nawet wbijane w fajkę – projektanci często polegają na dokładnych modelach wykonanych z gliny lub innych surowców. Wiatr wieje samochodem w tunelu aerodynamicznym, a komputery obliczają współczynnik oporu.

Tunele aerodynamiczne są używane od końca XIX wieku, kiedy próbowano stworzyć samolot i zmierzyć efekt przepływu powietrza w rurach. Nawet bracia Wright mieli taką fajkę. Po II wojnie światowej inżynierowie samochodów wyścigowych, szukając przewagi nad konkurencją, zaczęli wykorzystywać tunele aerodynamiczne do oceny efektywności elementów aerodynamicznych swoich modeli. Później ta technologia trafiła do świata samochodów osobowych i ciężarowych.

W ciągu ostatnich 10 lat, warte wiele milionów dolarów tunele aerodynamiczne były coraz rzadziej wykorzystywane. Symulacja komputerowa stopniowo zastępuje tę metodę badania aerodynamiki samochodu (więcej szczegółów). Tunele aerodynamiczne są uruchamiane tylko po to, aby upewnić się, że w symulacjach komputerowych nie ma błędnych obliczeń.

W aerodynamice jest więcej koncepcji niż tylko opór powietrza – są też czynniki siły nośnej i docisku. Podnoszenie (lub winda) to siła działająca przeciw ciężarowi przedmiotu, podnosząca i utrzymująca przedmiot w powietrzu. Siła docisku Przeciwieństwem windy jest siła, która popycha obiekt na ziemię.

Każdy, kto uważa, że ​​współczynnik oporu samochodów wyścigowych Formuły 1 przy 320 km/h jest niski, jest w błędzie. Typowy samochód wyścigowy Formuły 1 ma współczynnik oporu powietrza około 0,70.

Powodem zawyżonego współczynnika oporu powietrza w samochodach wyścigowych Formuły 1 jest to, że samochody te są zaprojektowane tak, aby wytwarzać jak największą siłę docisku. Z szybkością, z jaką poruszają się samochody, przy ich niezwykle lekkiej wadze, zaczynają odczuwać działanie windy z dużą prędkością - fizyka sprawia, że ​​wznoszą się w powietrze jak samolot. Samochody nie są zbudowane do latania (chociaż artykuł - latający samochód transformujący stwierdza coś przeciwnego), a jeśli pojazd zacznie wznosić się w powietrze, to można spodziewać się tylko jednego - katastrofalnego wypadku. Dlatego siła docisku musi być maksymalna, aby utrzymać samochód na ziemi przy dużych prędkościach, co oznacza, że ​​współczynnik oporu powietrza musi być wysoki.

Samochody Formuły 1 osiągają dużą siłę docisku, wykorzystując przód i tył pojazdu. Błotniki te kierują prądy powietrza tak, że samochód jest dociskany do podłoża – ta sama siła docisku. Teraz możesz bezpiecznie zwiększać prędkość i nie tracić jej na zakrętach. Jednocześnie siła docisku musi być dokładnie zrównoważona z podnośnikiem, aby samochód osiągnął pożądaną prędkość na prostej.

Wiele samochodów seryjnych ma dodatki aerodynamiczne, które wytwarzają siłę docisku. prasa skrytykowała wygląd. Kontrowersyjny projekt. Dzieje się tak, ponieważ całe nadwozie GT-R zostało zaprojektowane tak, aby kierować powietrze na pojazd iz powrotem przez owalny tylny spojler, zwiększając siłę docisku. Nikt nie myślał o pięknie samochodu.

Poza torem Formuły 1 winglety często można znaleźć w pojazdach produkcyjnych, takich jak sedany Toyota i Honda. Czasami te elementy konstrukcyjne dodają trochę stabilności przy dużych prędkościach. Na przykład pierwsze Audi TT początkowo nie miało spojlera, ale Audi musiało go dodać, gdy okazało się, że zaokrąglony kształt i niewielka waga TT powodowały zbyt dużą siłę nośną, przez co samochód był niestabilny przy prędkościach powyżej 150 km/h.

Ale jeśli samochód to nie Audi TT, nie samochód sportowy, nie samochód sportowy, ale zwykły rodzinny sedan lub hatchback, nie ma nic do zainstalowania spoilera. Spoiler nie poprawi prowadzenia w takim samochodzie, ponieważ „rodzina” ma już wysoką siłę docisku ze względu na wysokie Cx i nie można na nim wycisnąć prędkości powyżej 180. Spoiler w zwykłym samochodzie może powodować nadsterowność lub odwrotnie, niechęć do wchodzenia w zakręty. Jeśli jednak uważasz, że gigantyczny spoiler Hondy Civic jest na swoim miejscu, nie daj się o tym przekonać.