Гибрид солнечного автомобиля и парусника: проектирование на основе моделирования физических процессов

Гибрид солнечного автомобиля и парусника: проектирование на основе моделирования физических процессов

При проектировании гоночных автомобилей на солнечных батареях, инженерные команды стараются максимально использовать каждый джоуль доступной энергии. Именно поэтому команда Punch Powertrain Solar Team (или кратко Solar Team) для обеспечения наивысших показателей получения и использования энергии использует проектирование на основе моделирования физических процессов (simulation-led design).

Нововведение, которое позволило этой команде оставить соперников далеко позади, – это способность автомобиля улавливать энергию ветра, словно наземный парусный корабль. Это, а также другие решения, использованные в автомобиле Solar Team, стали результатом проведения более 500 расчётов на протяжении пяти месяцев.

 

ANSYS - Победа Punch Powertrain Solar Team на чемпионате Carrera Solar Atacama в Чили, 2018 год (все фотографии – © Geert vanden Wijngaert)

 

Применение полученных в напряженной работе инновационных решений полностью окупилось и принесло команде высокие результаты:

  • Первое место в Carrera Solar Atacama в Чили, 2018.
  • Третье место в World Solar Challenge, Австралия, 2017.
  • Второе место в European Solar Challenge, Бельгия, 2016.

«Все команды пришли посмотреть, как мы смогли встроить «парусную» систему в наш автомобиль, – рассказывает Адриан Байетс (Adrian Baiets), бывший участник SolarTeam. – Мы смогли впечатлить World Solar Challenge настолько, что получили награду за техническую инновацию от Государственного объединения научных и прикладных исследований (CSIRO). Я не удивлюсь, если узнаю, что в следующих сезонах другие команды будут также разрабатывать подобную конструкцию для своих автомобилей».

В то время как другие команды пытаются наверстать упущенное, Punch Powertrain Solar Team, теперь уже под названием Agoria Solar, будет использовать для моделирования программное обеспечение ANSYS в рамках спонсорской программы компании ANSYS, а также получать техническую поддержку от дилера продуктов ANSYS компании CadCorner.

Проектирование автомобиля-парусника на солнечных батареях

 

ANSYS - Моделирование эффекта парусника, создаваемого боковым ветром, действующим на «солнцемобиль»

 

Превращение солнечного автомобиля в гибридный с «парусом» произошло не за один день. С того момента, как общая концепция этого решения была впервые предложена, потребовалось чрезвычайно тщательное планирование.

«Первоначальная идея заключалась в том, чтобы сделать все четыре колеса солнечного автомобиля поворотными. Это позволило бы сделать обтекатели колес более узкими, повысив тем самым аэродинамические характеристики», – описывает идею команды Байетс.

Один из регионов австралийской трассы World Solar Challenge известен своими сильными боковыми ветрами. Разработчики из Solar Team поняли, что эти ветра – это возможность собрать дополнительную энергию.

«У нас уже было четырёхколесное рулевое управление, – продолжает Байетс. – Так почему бы не повернуть все колеса в одном направлении, развернув корпус автомобиля так, чтобы нос не был направлен вперед? Благодаря этому решению автомобиль может поворачиваться по отношению к своему курсу на максимальный угол рыскания до 3 градусов. Это позволяет автомобилю ходить галсами, как настоящему паруснику, значительно улучшая его аэродинамические характеристики».

Учет эффекта, вызванного появлением такого небольшого угла рыскания, потребовал много дополнительной работы. Как правило, автомобиль рассчитывается и конструируется с учетом нагрузок от строго встречного ветра. Но этот угол рыскания означал, что Solar Team нужно было выполнить ряд других расчетов, которые учитывают боковой ветер. Чтобы выполнить эти и другие аэродинамические расчёты, команда автоматизировала рабочий процесс в ANSYS Fluent.

Автоматизация рабочих процессов оптимизации автомобиля

 

ANSYS - Турбулизация потока воздуха вдоль корпуса автомобиля (вид сверху)

 

Несмотря на то, что соревнование World Solar Challenge проводится раз в два года, с учетом времени, необходимого на испытания, изготовление и настройку автомобиля, у разработчиков команд есть только 5-6 месяцев на разработку конструкции.

Это весьма немного для разработки новой концепции, ее оптимизации и проверки того, что она соответствует всем правилам конкурса. Чтобы вложится в сроки, участники команды Solar Team должны были проводить расчёты с высоким уровнем эффективности.

«Был использован итеративный подход, – рассказывает Эммерик Вандервелпен (Emmerick Vandervelpen), член Solar Team, занимающийся аэродинамическим проектированием. – У нас была базовая конструкция, и мы постарались улучшать каждую из частей поочередно. Пользуясь этим методом, мы полюбили численное моделирование. Нам необходимо было эффективно использовать свое время и проводить как можно больше расчетов, чтобы наметить характеристики автомобиля и то, как они влияют на сопротивление.

Я создал рабочий процесс, в котором я мог проводить расчеты без перерывов. Используя функцию журналирования (для автоматизации последовательности команд для выполнения) в ANSYS Fluent, я мог настроить расчёты и запустить процесс на всю ночь. Система автоматически запускала новые расчеты. Утром я оценивал результаты и ставил в очередь следующий набор задач».

Рабочий процесс Solar Team был настолько эффективным, что команда смогла выполнить за 5 месяцев более 500 расчетов.

Проектирование на основе моделирования обеспечило успех гибрида

Благодаря данным, собранным в ходе расчетов, разработчикам из Solar Team удалось снизить сопротивление автомобиля на 20% по сравнению с предыдущей моделью.

 

ANSYS - Моделирование коэффициента трения корпуса автомобиля (вид спереди)

 

«Без расчетов трудно оценить эффект вносимых изменений, – отмечает Вандервельпен. – Создание расчетной модели требует времени, но благодаря им, уже через день вы можете увидеть влияние каждого изменения на аэродинамику. Таким образом, каждый день мы становились на шаг ближе к лучшей конструкции автомобиля».

Чтобы узнать, как использовать моделирование для оптимизации аэродинамики автомобиля, прочитайте статью (на английском языке): Scaling New Heights in Aerodynamics Optimization: The 50:50:50 Method. Чтобы опробовать ANSYS Fluent, подпишитесь на программу спонсорства ANSYS Student Team.

Источник: www.ansys.soften.com.ua


Печать   Электронная почта