技术领域
[0001] 本
发明涉及方程式赛车的技术领域，更具体的是，本发明涉及一种方程式赛车的气动套件装置及其高效优化设计方法。
背景技术
[0002] 中国大学生方程式
汽车大赛旨在由各大学车队的本科生和研究生在一年时间内构思、设计、制作、研发并完成一辆小型方程式赛车并参与竞赛。自我国引进方程式赛事到如今，赛车的气动特性越来越被各车队设计师所重视，在气动套件的设计过程中，有多个变量多个目标需要考虑，而目前在设计中通常采用经验值或者基于经验值的单因素
迭代设计，对设计师经验的依赖性较高，而在实际状态下不同的
车身设计对经验值都有不同的适应性，且各个设计参数之间存在交叉影响。若对单一变量进行逐一优化，费事费
力且在赛制时间内也不可能完成全面试验。为此，设计一套气动套件的高效优化设计方法以代替原始设计方法显得尤为重要。
发明内容
[0003] 本发明的目的是设计开发了一种方程式赛车的气动套件装置，通过前翼和
尾翼上的各个翼片之间的重叠和间隙使方程式赛车行进时
风阻更小，下压力更大。
[0004] 本发明设计开发了一种方程式赛车的气动套件装置的高效优化设计方法，通过有限元仿真的近似模型与多目标优化
算法得到前翼和尾翼上的各个翼片的最佳
位置，通过
正交试验得到气动套件装置在赛车上的最佳安装位置，使气动套件的设计过程科学高效。
[0005] 本发明提供的技术方案为：
[0006] 一种方程式赛车的气动套件装置，包括：
[0007] 前翼，其设置在所述方程式赛车的前端；以及
[0008] 尾翼，其设置在所述方程式赛车的后端上部；
[0009] 其中，所述尾翼包括：
[0010] 第一主翼，其与所述方程式赛车的后端相连接，且所述第一主翼平行于所述方程式赛车行进时的
风力方向；
[0011] 两个第一端板，其平行对称设置在所述第一主翼的两端；
[0012] 第一
襟翼，其垂直可活动的设置在所述两个第一端板之间，且设置在所述第一主翼的上部；
[0013] 其中，所述第一襟翼与所述第一主翼之间有部分重叠和间隙，且所述第一襟翼宽度小于所述第一主翼的宽度；
[0014] 第二襟翼，其垂直可活动的设置在所述两个第一端板之间，且所述第二襟翼设置在所述第一襟翼的上部；
[0015] 其中，所述第二襟翼与所述第一襟翼之间有部分重叠和间隙，且所述第二襟翼宽度小于所述第一襟翼的宽度。
[0016] 优选的是，所述前翼包括：
[0017] 第二主翼，其设置在所述方程式赛车的前端，且所述第二主翼平行于所述方程式赛车行进时的风力方向；
[0018] 两个第二端板，其垂直设置在所述第二主翼的两端，且所述两个第二端板均为外洗结构；
[0019] 两个小襟翼，其对称垂直设置在所述两个第二端板的内侧，且所述两个小襟翼与所述第二主翼之间有部分重叠和间隙。
[0020] 优选的是，所述外洗结构为向外侧呈弧形结构，且弧形
角度为90°-180°之间的任意角度。
[0021] 一种方程式赛车的气动套件装置的高效优化设计方法，包括如下过程：
[0022]
选定前翼和后翼的各个翼片的
攻角、两个翼片间的相对
水平位置和两个翼片间的相对垂直位置作为初级设计参数，并将所述初级设计参数的参数范围作为样本空间，然后进行
数据处理得到一组第一设计参数，以所述第一设计参数在样本空间中建立初级设计参数与试验指标的关系，得到pareto解集，在所述pareto解集中的任一组设计参数均可为前翼和尾翼的单件优解；
[0023] 以前翼的水平位置、垂直位置以及尾翼的水平位置和垂直位置为因素，以因素范围为水平数，确定试验指标，试验指标的总权矩阵满足：
[0024]
[0025] ωT＝(λ11 λ12 ... λ1n λ21 λ22 ... λmn)；
[0026] 式中，kg为影响各试验指标的权矩阵，λmn为因素λm第n个水平的权重值；
[0027] 其中，权重值最大的一组因素为前翼和尾翼的安装位置。
[0028] 优选的是，所述数据处理包括如下步骤：
[0029] 步骤1、在所述样本空间中进行样本点的选择；
[0030] 步骤2、将选择的样本点进行网格划分；
[0031] 步骤3、将网格划分以后的其中一组样本点作为第一设计参数。
[0032] 优选的是，所述第一设计参数通过FLUENT18.0中的k-omega SST
湍流模型，SIMPLE算法得到；
[0033] 所述第一设计参数在样本空间中建立初级设计参数与试验指标的关系是通过建立近似模型得到；
[0034] 在所述近似模型的
基础上通过多目标
优化算法得到所述pareto解集。
[0035] 优选的是，所述样本点的选择是通过最优拉丁超立方设计方法进行；
[0036] 所述网格划分是通过ICEM18.0中带有的八叉树进行。
[0037] 优选的是，所述试验指标是通过正交试验确定。
[0038] 优选的是，所述影响各试验指标的权矩阵的表达式为：
[0039] kg＝Mg·Tg·Sg；
[0040]
[0041] 式中，Mg为试验指标矩阵，Tg为因素矩阵，Sg为极差矩阵，kmn为因素λm的第n个水平对第g个指标影响的权重值；
[0042] 其中，所述试验指标矩阵Mg、因素矩阵Tg、极差矩阵Sg分别为：
[0043]
[0044]
[0045]
[0046] 优选的是，若试验指标越大越好，则令：
[0047] Kij＝kij；
[0048] 式中，Kij为第i列第((i-1)n+j)项，kij为因素λi在第j个水平上的试验指标平均值，其中，i＝1,2,...,m，j＝1,2,...,n；
[0049] 若试验指标越小越好，则令：
[0050]
[0051] 所述因素矩阵和极差矩阵中的数分别满足：
[0052]
[0053] 式中，Ti为对角线上的第i项；
[0054]
[0055] 式中，si为某个因素λi的极差， 为极差矩阵中某一列中的第i项。
[0056] 本发明所述的有益效果：
[0057] (1)本发明设计开发的方程式赛车的气动套件装置，通过前翼和尾翼上的各个翼片之间的重叠和间隙使方程式赛车行进时风阻更小，下压力更大。
[0058] (2)本发明设计开发的一种方程式赛车的启动套件装置的高效优化设计方法，通过有限元仿真的近似模型得到前翼和尾翼上的各个翼片的最佳位置，通过正交试验得到气动套件装置在赛车上的最佳安装位置，使气动套件的设计过程更加科学、高效，避免人工多次重复性操作，缩短设计周期，节省计算资源。
附图说明
[0059] 图1为本发明所述尾翼的结构示意图。
[0060] 图2为本发明所述前翼的结构示意图。
具体实施方式
[0061] 下面结合对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照
说明书文字能够据以实施。
[0062] 本发明所述的方程式赛车的气动套件装置包括：前翼120和尾翼110，其中如图1所示，为本发明所述的尾翼110的结构示意图，所述尾翼110包括：第一主翼112，其与所述方程式赛车的后端相连接，且所述第一主翼112平行于所述方程式赛车行进时的风力方向；两个第一端板111，其设置在所述第一主翼112的两端，且所述两个第一端板111平行设置；第一襟翼113，其垂直设置在所述两个第一端板111之间，且所述第一襟翼113与所述第一主翼112之间有小部分重叠和间隙，所述第一襟翼113的位置是可变动的，所述第一襟翼113宽度小于所述第一主翼112，所述第一襟翼113设置在所述第一主翼112的上部；第二襟翼114，其垂直设置在所述两个第一端板111之间，且所述第二襟翼114与所述第一襟翼113之间有小部分重叠和间隙，所述第二襟翼114与第一襟翼113的相对位置是可变动的，所述第二襟翼
114宽度小于所述第一襟翼113，所述第二襟翼114设置在所述第一襟翼113的上部。
[0063] 如图2所示，为发明所述的前翼120的结构示意图，所述前翼120包括：第二主翼122，其设置在所述方程式赛车的前端，且所述第二主翼122与所述方程式赛车行进时的风力方向相平行；两个第二端板121，其垂直设置在所述第二主翼122的两端，且所述两个第二端板121均为外洗结构；两个小襟翼123，其对称垂直设置在所述两个第二端板121的内侧，且所述两个小襟翼123与所述第二主翼122之间有小部分重叠和间隙，所述两个小襟翼123与所述第二主翼122的相对位置是可变动的。
[0064] 本发明提供一种方程式赛车的气动套件装置，通过前翼和尾翼上的各个翼片之间的重叠和间隙使方程式赛车行进时风阻更小，下压力更大。
[0065] 本发明还提供一种方程式赛车的气动套件装置的高效优化设计方法，使用所述的方程式赛车的气动套件装置，包括如下步骤：
[0066] 步骤一、将前翼和尾翼的单件进行集成优化：选定初级设计参数，并将所述初级设计参数的参数范围作为样本空间，然后进行数据处理得到一组第一设计参数，以所述第一设计参数在样本空间中建立初级设计参数与试验指标(下压力、阻力和
俯仰力矩)的关系，得到pareto解集，在所述pareto解集中的任一组设计参数均可为前翼和尾翼的单件优解；
[0067] 步骤二、将优化后的前翼和尾翼通过正交试验分析后安装在所述方程式赛车上。
[0068] 在本
实施例中，所述步骤一包括如下步骤：
[0069] 步骤1、选定所述气动套件结构的设计参数为初级设计参数，所述初级设计参数包括：各个翼片的攻角、两个翼片间的相对水平位置和两个翼片间的相对垂直位置；
[0070] 步骤2、在所述样本空间中通过最优拉丁超立方设计方法进行样本点的选择，[0071] 其中，所述最优拉丁超立方设计方法是在随机拉丁超立方设计的基础上，改进了样本点的分布不均匀性，使得在整个样本空间中，每个因子的每个水平只被研究一次且样本点在设计空间分布均匀，使得所取样本点能均匀的分布在设计空间，具有非常好的空间填充性和均衡性；
[0072] 步骤3、将选择的样本点用ICEM18.0中带有的Octree(八叉树)方法进行网格划分；
[0073] 具体步骤为：将模型导入ICEM18.0；对模型进行几何面检查与修复；建立Part，包括车身和
流体域的入口、出口、对称面、壁面等；设置面网格尺寸，大的翼片设置为8，小的襟翼设置为4，对细小部分网格尺寸设置成1；建立
密度区、body，进行全局设置和
边界层设置；设置网格类型生成网格；查看网格
质量，要保证网格质量大于0.15，若不满足要求，可对网格进行光顺化；最后输出网格。
[0074] 步骤4、将网格划分以后的样本点在FLUENT18.0中选用k-omega SST湍流模型，SIMPLE算法进行求解得到计算结果；
[0075] 具体步骤为：将ICEM18.0输出的网格导入FLUENT18.0，选择k-omega SST湍流模型，设置边界条件，包括：速度入口，设置给定速度为20m/s，湍流强度为0.5％；压力出口，设置相对压力为0，湍流强度为5％；地面，设置为移动壁面，速度为20m/s；并设置监测窗口，监测迭代过程中
气动阻力、气动升力变化，还有残差变化，选择标准初始化，进行初始化，设置迭代步数，进行迭代计算。
[0076] 步骤5、对所述计算结果通过近似模型进行结果拟合，即通过多项式函数或插值法等来逼近输入变量与输出变量，使得近似模型能够代替仿真过程，减少耗时仿真程序的调用，提高优化效率；
[0077] 步骤6、通过R-Squared(R2)的值来判断近似模型与样本点计算结果的符合程度，其中：
[0078]
[0079] R-Squared(R2)也称为拟合度或决定系数，是一个回归评价指标，用于判断模型拟合的效果，SSE是拟合数据与原始数据对应点的误差的平方和，SST是原始数据和均值之差的平方和。
[0080] 当R2值为1.00时说明近似模型具有高可信度，一般要求R2≥0.9，选用不同的近似模型分别进行拟合，直到R2值满足要求。
[0081] 步骤7、在所述近似模型中运用多目标优化算法进行寻优计算，得到最优解pareto解集，在所述pareto解集中的任一组设计参数均为前翼和尾翼的单件优解。
[0082] 所述步骤二包括如下过程：
[0083] 步骤a、确定所述正交试验具有m个因素，各因素具有n个水平，各水平具有μ个试验指标；
[0084] 步骤b、若试验指标越大越好，则令：
[0085] Kij＝kij
[0086] 式中，Kij为第i列第((i-1)n+j)项，kij为因素λi在第j个水平上的试验指标平均值，其中，i＝1,2,..,m；j＝1,2,...,n；
[0087] 若试验指标越小越好，则令：
[0088] Kij＝kij
[0089] 步骤c、因素矩阵和极差矩阵分别满足：
[0090] 其中，
[0091] 式中，Ti矩阵为mxm矩阵，Ti为对角线上的第i项；
[0092]
[0093] 式中，Sg矩阵为mx1矩阵，si为某个因素λi的极差， 为某一列中的第i项；
[0094] 因此，建立试验指标矩阵Mg、因素矩阵Tg、极差矩阵Sg：
[0095]
[0096]
[0097]
[0098] 所述Mg矩阵为mnx m矩阵；
[0099] 步骤d、影响各试验指标的权矩阵为：
[0100] kg＝Mg·Tg·Sg；
[0101]
[0102] 式中，kmn为因素λm的第n个水平对第g个指标影响的权重值；
[0103] 步骤e、正交试验考察指标的总权矩阵为：
[0104]
[0105] ωT＝(λ11 λ12 ... λ1n λ21 λ22 ... λmn)
[0106] 其中，λmn为因素λm第n个水平的权重值；
[0107] 步骤f、取各因素中权重值最大的水平
[0108] λ1a＝max(λ11 λ12 ... λ1n)；
[0109] λ2b＝max(λ21 λ22 ... λ2n)；
[0110] ...
[0111] λmc＝max(λm1 λm2 ... λmn)
[0112] 其中，a,b,c∈[1，n]；
[0113] 则正交试验的最优方案即为λ1a、λ2b…λmc所对应的因素水平的组合。
[0114] 在另一种实施例中，先确定正交试验的因素与水平，因素包括前翼的水平位置、垂直位置以及尾翼的水平位置和垂直位置，根据赛事规则与干涉问题确定参数范围即水平数，由此建立正交表，设计正交试验；然后通过网格划分、计算求解，得出各指标试验值，利用矩阵分析法对正交试验结果进一步分析。
[0115] 在本实施例中共有4个因素，分别为前翼的水平位置(λ1)、前翼的垂直位置(λ2)、尾翼的水平位置(λ3)、尾翼的垂直位置(λ4)；各因素取5个水平，因素水平如表1所示：
[0116] 表1因素水平表
[0117]
[0118] 在本实施例中有3个指标，分别为阻力、下压力和俯仰力矩。因素λi在第j个水平上的试验指标平均值为kij(i＝1，2，3，4；j＝1，2，3，4，5)，若试验指标是越大越好(如下压力，希望大一些好)，则令Kij＝kij，反之，则令 由此建立试验指标矩阵Mg(g＝1，2，3)；令建立因素矩阵Tg；正交试验中因素λi的极差为si，令 建立极差矩阵Sg。
[0119] 采用正交表L25(56)，对照上述表1，需要25组变量组合，试验方案与试验结果如表2所示：
[0120] 表2试验方案与试验结果
[0121]
[0122] 如表3所示，为试验指标的平均值及极差：
[0123] 表3试验指标平均值及极差
[0124]
[0125] (a)阻力
[0126]
[0127] (b)下压力
[0128]
[0129] (c)俯仰力矩
[0130] 第一个考察指标为阻力，越小越好，其M1矩阵、T1矩阵、S1矩阵计算如下：
[0131]
[0132]
[0133]
[0134] 阻力的权矩阵为：k1＝M1·T1·S1，
[0135]
[0136] 第二个考察指标为下压力(越大越好)，第三个考察指标为俯仰力矩(越小越好)，同理，可以得出k2，k3：
[0137]
[0138] 此正交试验考察指标的总权矩阵ω为各指标权矩阵的平均值：
[0139]
[0140]
[0141] 其中，λ14、λ21、λ35和λ45在各因素中权重值最大，故正交试验的最优方案即为λ14、λ21、λ35和λ45所对应的因素水平的组合，对应表1，即前翼的水平位置为59mm、前翼的垂直位置660mm、尾翼的水平位置为240mm、尾翼的垂直位置为1195mm。
[0142] 本发明设计开发的一种方程式赛车的启动套件装置的高效优化设计方法，通过有限元仿真的近似模型与多目标优化算法得到前翼和尾翼上的各个翼片的最佳位置，通过正交试验得到气动套件装置在赛车上的最佳安装位置，使气动套件的设计过程更加科学、高效，避免人工多次重复性操作，缩短设计周期，节省计算资源。
[0143] 尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的
修改，因此在不背离
权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。
