首页 > 活动 > Altair > > Altair OptiStruct助力超音速汽车“寻血猎犬”

Altair OptiStruct助力超音速汽车“寻血猎犬”

作者: Simwe    来源:Altair    发布时间:2012-06-01    收藏】 【打印】  复制连接  【 】 我来说两句:(0逛逛论坛

直击陆上极速世界纪录的突破

创新的超音速汽车的设计师们表示希望该项目能够激发新一代设计师和科学工作者们的设计灵感

早在1997年,内华达的黑岩沙漠,两个英国人立下了一个誓言:突破陆上极速世界纪录。这两个人就是Richard Noble和Andy Green。当时作为英国皇家空军(Royal Air Force)飞行员的Any Green驾驶一辆由Richard Noble等人研发的喷气式超音速汽车“超音速推进号”,速度达到763mph。

到了2010年,他们的誓言变成了一个更深层次的双重使命:设计一种高达1.4马赫数(1065英里/小时(约1600公里/小时)的超音速汽车,同时从该项目的技术和经验中获得激发当前学生在科学探索、技术研究、工程数学等领域的钻研和创新精神的力量。

这一新的使命依赖于超音速汽车“寻血猎犬”(Bloodhound SSC)的成功问世。超音速汽车“寻血猎犬”车体搭载新型战斗机(EuroJet EJ-200)发动机,并配有一个固液混合火箭发动机。整辆汽车长度达到42英尺,重量近6.5吨。除EJ-200发动机外,该超音速汽车的其余所有部件全部实现定制设计。

newmaker.com

为了遵循F1A创建的陆上极速纪录的规则,每辆超音速汽车必须至少配备4个车轮,其中至少有2个位于驾驶区域。除此以外,设计师可以按照自己的构思进行创新设计,于是,令人惊叹而充满挑战的超音速汽车“寻血猎犬”就诞生了。

位于英国布里斯托尔的“寻血猎犬”研发基地,设计团队利用一系列的技术来呈现他们的创新设计,包括计算流体力学(CFD)和结构优化技术 (Optimization)。Noble先生说:“这一项目获得成功的关键因素是采取了大量的计算建模,来增加创意的可行性和降低设计风险。在车辆高速 驾驶到户外之前,我们进行了一系列的仿真分析,以证实我们原始创意的可行性。”

惊人的挑战

Noble作为超音速汽车“寻血猎犬”的项目经理,指出该设计是相当具有挑战性的。他解释说为了让项目能够激发新一代工程师的设计灵感,这必须要 具有标志性意义的——就像公众所认为的“令人震撼的”才行。这也是为什么我们的团队最终选择了挑战1.4倍超音速原始目标的原因之一。

一旦确定了目标,整个团队很快意识到他们需要充分利用自己的设计能力。车辆的设计是介于飞机和赛车之间的混合产物,它的底盘类似于飞机,同时要配备如同赛车一样的车轮、悬架、方向盘和刹车系统。Noble说整个团队必须明确其方案必须考虑的主要设计元素,例如空气动力学、车轮和动力装置,每一项都得呈现其特有的“工程机遇”。

空气动力学主管Ron Ayers解释说,车体结构必须达到难以致信的刚硬和结实。他预估在最大速度时的气压高达每平方米12吨,这时的气动力可以轻易地将车体从地面掀起或足以破坏其悬架系统,所以精确地控制垂直力是非常重要的。

由于车辆的静态和动态稳定性会涉及到难以估计的领域,设计团队从汽车和飞机工程师们中学到技术来完成车辆的稳定性问题。在慢速状态下,重力占绝对地位;而在1000mph速度状态下,则完全由气动力来控制。

车轮将承载6.5吨的车身重量并保持10,000rmp转速,这样车轮边缘的压力可达到50,000g。在车辆持久运行期间,4个车辆保持相同的 载荷是非常重要的。小翼被装配于车轮之上,达到充分的动态平衡,在微秒内稍加调整;使得它们能够帮助保持车轮载荷达到1.4Mach。

除此之外,车胎和车轮与地面的相互作用形式也是考虑的重点问题。设计团队选择了一种特殊的表面(一种可变形介质)。当发生变形的时候,动力装置受控于车轮和地面的摩擦以及其内部摩擦。由于车轮与地面相互作用的数据相对比较缺乏,所以预测车辆的状况非常复杂。

EJ-200喷气式发动机和固液混合火箭发动机(包含固体推进器和液体氧化剂)增强了车辆的性能。火箭发动机提供原始动力,而喷气式发动机提供动 力控制。火箭发动机设计产生27000英镑的推力,长14英尺,直径长18英寸,几乎和一级方程式赛车一样长。喷气式发动机能够产生20000英镑的推 力,给汽车总共提供47000英镑的推力——相当于135000匹马力或180个一级方程式赛车的功率。

此外,一个800马力赛车用发动机会泵送过氧化氢(HTP)、液体氧化剂到火箭的固体燃料来点燃它。只要HTP在流动,固液混合火箭发动机就只能燃烧它的固体燃料。当HTP停止流动,火箭发动机就安全熄火。

虚拟仿真分析

Noble说整个团队将最后33个月的时间放在了空气动力学方面的研究和火箭助推器研发上。事实上,车辆已经尝试了10个不同的设计方案。“我们 必须确保重心和压力中心在正确的位置。”他说,“在概念设计阶段,在1.3马赫时的浮力为12吨,我们最后确定了一个安全的设计方案——不会产生浮力。在 此,我们非常感谢合作伙伴Intel,给我们提供了3台超大的计算集群来帮助我们进行仿真分析。”

设计团队用了18个月的时间来构思如何在沉重的EJ-200喷气式发动机上放置441-lb火箭发动机。然而,随着概念设计的进程,设计人员发现 需要更多的推力来克服空气阻力。在经过细致的评估后,他们决定利用重约882英镑的固液混合火箭发动机,不幸的是火箭发动机上额外的推力使得车辆发生摇 晃,于是设计人员返回到设计面板和概念设计上,将喷气式发动机放在火箭发动机之上。

CFD软件工具在车辆的研发过程中起到了至关重要的作用。设计人员已经使用了威尔士斯旺西大学研发的CFD软件。CFD工程师Ben Evans说仿真的可视化功能帮助设计团队更好地分析车辆的在流体状态下的情况,如冲击波、边界层和压力分布等。


newmaker.com
由斯旺西大学特别开发的计算流体软件帮助超音速汽车 “寻血猎犬”
设计师更好地分析车辆的空气动力学性能

总工Mark Chapman说设计团队利用CFD软件工具来验证车辆设计的可行性。“流体动力学推动车辆及其内部空间的设计造型。在此没有风洞测试。”

在这个研发阶段,车辆的外观设计已经基本形成,研发的重点转移到内部设计和构造阶段。

 
分享到: 收藏