ENGINEERINGNET.BE -- Formula Student Germany (FSG) is een internationale ontwerpwedstrijd voor racewagens voor studenten aan technische universiteiten en universiteiten voor toegepaste wetenschappen.
Het winnende team is niet het team dat de snelste racewagen fabriceert, maar de crew die de hoogste algemene score haalt binnen de criteria ontwerp, raceprestaties, zakelijke planning en marketing.
De studenten aan de University of Applied Sciences Coburg (UAS Coburg) nemen al sinds 2007 deel aan deze wedstrijd in de vorm van het Coburg Automobile Team (CAT). Er wordt deelgenomen door leden van verschillende faculteiten, waaronder werktuigbouwkunde en autotechniek, bedrijfskunde en civiele techniek.
Bij de vier wedstrijden van het kampioenschap in 2012 eindigde CAT Racing tweemaal op de tweede plaats. De groepsleden hebben dit succes te danken aan hard werk, discipline en voortreffelijke technische tooling.
De aerodynamica van racewagens, en aerodynamica in het algemeen, kent twee verschijningsvormen: uitwendige en inwendige stromen. Uitwendige aerodynamica heeft betrekking op de externe vorm van de racewagen.
Ingenieurs bestuderen deze vorm om de neerwaartse kracht op het chassis te bepalen, waarbij de ideale rijdynamica ontstaat door de aerodynamische weerstand te minimaliseren. De aerodynamica van de inwendige componenten van de wagen is minstens zo belangrijk.
Het voorspellen van de aerodynamica van het luchtinlaatsysteem is bijvoorbeeld cruciaal voor het optimaliseren van de prestaties van de wagen bij wisselende snelheden. Het luchtinlaatsysteem bestaat uit een inlaatmondstuk, smoorklep, mondstukvormige Laval-begrenzer, luchtvat en aanzuigleidingen naar de cilinders.
Ontwerp van de luchtinlaat
Het team van UAS Coburg heeft het luchtinlaatsysteem van de wagen verbeterd met ANSYS CFD binnen een parametrische ANSYS Workbench-omgeving. FSG-regelgeving beperkt de diameter van de begrenzer tot 20 mm, waardoor de massastroomsnelheid aan de inlaat wordt gelimiteerd.
Het luchtvat, stroomafwaarts van de begrenzer, heeft directe invloed op de hoeveelheid verse lucht die de cilinders bereikt. Een te groot luchtvat maakt dat de motor te langzaam op het gaspedaal reageert en zorgt er in combinatie met korte aanzuigleidingen voor dat de motor alleen voldoende koppel ontwikkelt bij hoge toerentallen. Een te klein luchtvat gedraagt zich op tegenovergestelde wijze.
Het team moet daarom het luchtvat zorgvuldig ontwerpen en zorgen dat het past bij de lengte van de aanzuigleidingen. Dit resulteert in een optimaal koppel bij elk bedrijfstoerental. In eerdere wagens van het CAT Racing-team werd het luchtvat voornamelijk ontworpen op basis van constructiegemak.
In 2012 is ANSYS Workbench toegepast voor een werkelijk aerodynamisch ontwerp. Dit heeft ertoe geleid dat het racewagenmodel 2012, de C-12 Puma, de coureur op het juiste moment (dat wil zeggen bij het juiste toerental) van het juiste koppel voorziet. Dankzij deze optimalisatie behaalde het team haar hoogste klassering ooit.
De faculteit Werktuigbouwkunde en Autotechniek van UAS Coburg heeft toegang tot moderne technische apparatuur, waaronder een motortestinrichting, die het team heeft gebruikt om het ANSYS Workbench-ontwerp te testen, alvorens het circuit op te gaan.
De faciliteiten omvatten tevens een geavanceerd computerlab, waar studenten gebruikmaken van ANSYS-software om het optimale ontwerp te realiseren.
Het team heeft het luchtinlaatsysteem in drie stappen ontwikkeld:
- Studenten hebben het systeem berekend en analytisch gedimensioneerd met een Excel®-ontwerptool op basis van vergelijkingen van theoretische gasdynamica.
- Het team heeft het ontwerp met SolidWorks® in CAD geïmplementeerd om de stroomdomeinen voor CFD-simulatie te definiëren.
- UAS Coburg heeft optimalisatie uitgevoerd binnen de ANSYS Workbench-omgeving. Het team heeft een geparametriseerd CAD-model gegenereerd en het model naar ANSYS Workbench overgebracht via de CAD-interface voor SolidWorks.
CAT Racing heeft vervolgens een tabel met ontwerppunten gegenereerd binnen Workbench. Op elk nieuw ontwerppunt werden de gegevens via de ANSYS CAD-interface overgebracht naar SolidWorks, waar een nieuwe geometrie werd gegenereerd.
Deze nieuwe geometrie werd vervolgens automatisch aan Workbench teruggegeven, waar een nieuw grid werd gegenereerd. Vervolgens werd de CFD- solver automatisch gestart. Dit proces werd herhaald totdat alle ontwerppunten waren verwerkt.De C-12 Puma genereerde de juiste hoeveelheid koppel bij het juiste toerental.
De optimaliseringsprocedure in ANSYS Workbench is zeer effectief en gebruiksvriendelijk en maakt gebruik van een eenvoudige workflow. Geometrie is eenvoudig in ANSYS DesignModeler binnen Workbench te importeren met de ANSYS CAD-interface voor SolidWorks.
Binnen diezelfde Workbench wordt uit deze geometrie de mesh gegenereerd met ANSYS meshing. De gridparameters worden eenmaal ingesteld, en vervolgens kan het grid automatisch op de achtergrond worden gegenereerd voor alle configuraties van de geometrie, zonder de meshing tool opnieuw te hoeven openen.
Voor de luchtinlaat heeft het team vier configuraties (die overeenkomen met de vier cilinders) in de workflow opgenomen, en elk ontwerp is voor al deze configuraties uitgevoerd. Workbench heeft deze configuraties automatisch gedetecteerd en ze achter elkaar uitgevoerd.
Zodra de CFD- solver (ANSYS CFX) gereed was met het doorrekenen van alle vier de configuraties, werd de volgende parameter in de tabel met ontwerppunten teruggestuurd naar SolidWorks. Met deze parameter genereerde SolidWorks de volgende geometrieset, die vervolgens aan Workbench werd doorgegeven, waarna het oplossingsproces opnieuw werd geïnitieerd.
Het team heeft via deze methode twee- en driedimensionale modellen van het luchtinlaatsysteem onderzocht. Het voordeel van deze procedure is dat 2-D modellen snel worden berekend, zodat er fundamentele alternatieven kunnen worden onderzocht en het ontwerp snel kan worden gewijzigd - bijvoorbeeld om de massastroomsnelheid door het systeem te maximaliseren.
CAT Racing ontwikkelde vervolgens de 3-D modellen voor de 2-D geometrieën die de beste prestaties leverden, en voerde de CFD-simulaties in 3-D uit. De CAD-interface en de tabel met ontwerppunten genereerden opnieuw CAD-modellen en -grids, en boden parametrische oplossingen binnen de Workbench-omgeving. Voor sommige 3-D modellen werd high-performance computing gebruikt om de oplossingssnelheid te verhogen.
In het oorspronkelijke luchtvat liet de CFD-simulatie zien dat de luchtstroom de cilinder niet op een rechtstreekse manier bereikte. De centrale separatie als gevolg van het ontwerp van dit oorspronkelijke vat op basis van structurele vereisten, belemmerde in feite de luchtstroom.
Om dit probleem op te lossen heeft het team van UAS Coburg leidschoepen in het luchtvat aangebracht. Dankzij een automatische optimaliseringslus die in ANSYS Workbench is geïmplementeerd, heeft het team het aantal leidschoepen, de dikte van de schoepen, de openingshoek van het luchtvat en andere parameters kunnen optimaliseren.
Dit systeem van leidschoepen in het luchtvat leidde de luchtstroom in de overeenkomstige geopende cilinder waarbij een verwaarloosbare stroomseparatie optrad.
Er waren minder verliezen in het systeem en de massastroomsnelheid door de begrenzer was hoger. De structurele stabiliteit van het luchtvat was verbeterd. In het nieuwe systeem is de stroomdistributie in het luchtvat gelijkvormiger.
De optimaliseringsprocedure in ANSYS Workbench is zeer effectief en gebruiksvriendelijk en maakt gebruik van een eenvoudige workflow.
In het oorspronkelijke luchtvat bereikt de luchtstroom de cilinder niet op een rechtstreekse manier. Het toevoegen van leidschoepen aan het nieuwe systeem voorziet in een betere luchtinlaat en een gelijkvormiger verdeling van de luchtstroom.
Ontwerpen met getallen
De vereisten voor het nabewerken van een simulatie gaan veel verder dan het produceren van een aantal mooie plaatjes.
Het team moest kwantitatieve informatie extraheren, dus werden de CFD-resultaatbestanden verder nabewerkt met de power syntax in CFD-Post. Deze functie kan in de bekende en krachtige programmeertaal PERL worden geïntegreerd om toegang te krijgen tot complexe nabewerkingsfunctionaliteit.
Op basis van de power syntax van PERL en CFD-Post heeft de faculteit van de afdeling Werktuigbouwkunde en Autotechniek complexe nabewerkingsscripts geschreven die op nauwkeurige wijze relevante gegevens uit de CFD-resultaatbestanden extraheren en de berekeningen naar een Excel-bestand wegschrijven.
Deze resultaten werden vervolgens weergegeven en geanalyseerd in grafieken. Deze methode maakte het mogelijk om op een heldere en beknopte manier een enorme hoeveelheid simulatiegegevens te analyseren en te compileren.
Het team heeft door het gehele systeem de totale druk, de statische druk, het Mach-getal, de entropie, de enthalpie en andere gegevens geanalyseerd. Dit stelde CAT Racing in staat om het systeem objectief te analyseren en de kennis te verwerven voor het effectief verbeteren van het ontwerp van het luchtinlaatsysteem.
De bijkomende aspecten van inwendige en uitwendige aerodynamica van de racewagen van de Formula-studenten worden momenteel geanalyseerd op de UAS Coburg.
In combinatie met een grondige kennis van theoretische aerodynamica en een moderne testfaciliteit blijft CFD-simulatie met behulp van ANSYS Workbench een belangrijke technologie bij de aerodynamische ontwikkeling van de auto.
Voor meer informatie:
Ansys Belenux
Avenue Pasteur 4 - B-1300 Wavre
Tel: +32 10 45 28 61 - Fax : +32 10 45 30 09
info@ansys.com - www.ansys.com
Ansys Benelux
Bericht van de redactie: dit is een ingezonden mededeling, die mogelijk niet vrij is van commerciële invloeden. De verantwoordelijkheid voor de verstrekte technische en andere gegevens berust volledig bij de vermelde leverancier of fabrikant.
