Гибкое переднее антикрыло Red Bull: принципы компьютерного моделирования

Когда в 2010 году стало впервые заметно, что Red Bull использует эластичные передние антикрылья для повышения прижимной силы, многие наблюдатели указывали на то, что с 2009-го команда из Милтон Кейнса работает с MSC Software и использует программное обеспечение, позволяющее симулировать поведение подвижных структур.

Использование последних версий таких продуктов MSC, как Nastran и Adams, позволяет работать с моделями ограниченной деформации деталей. Для получения более точной структурной симуляции все в большей степени используются данные компьютерной техники. На деформацию элементов машин накладываются ограничения, но таким образом можно использовать её в рамках правил – для увеличения прижимной силы и оптимизации характеристик сопротивления гибкого крыла.


В этом году в Red Bull явно решили не менять свое решение. Попытаемся провести анализ их достижений в этой сфере и выявить, что должны предпринять в ответ другие команды. Во-первых, более подробная информация о программном моделировании есть на самом сайте MSC Software.

Цель моделирования подвижных элементов при структурном анализе – повысить точность прогноза функционирования модели. При моделировании поведения твердого тела в основном используются схемы Лагранжа, а сам поток моделируется через схемы Эйлера. Такая двойная схема применяется из-за специфики поведения подвижных структур.

Когда поток и профиль используются в целях общего анализа, сложность составляет именно связывание этих схем воедино. Эта задача решается через автоматический парный алгоритм, использующий две системы координат – одну для профиля модели, вторую – для потока. Таким образом, можно предположить, что Red Bull моделирует неподвижное переднее антикрыло методами Лагранжа, а поведение воздушного потока вокруг крыла – методами Эйлера.

Две симуляции – через методы Лагранжа и Эйлера соответственно, делят непрерывное во времени пространство на дискретную сеть клеток. Углы таких клеток называются вершинами сети. В симуляции по Лагранжу сеть перемещается одновременно с текучей средой, а при симуляции Эйлера фиксируется на месте, а потоки воздуха как бы проходят через сеть. Компьютер также делит непрерывное время на последовательные дискретные интервалы, фиксируя данные за каждый из них.

Если Red Bull моделирует поведение крыла по Лагранжу, то их сеть координат перемещается вместе с движениями крыла. В начале каждой временной отсечки они располагают данными о координатах, скорости, напряжении и растяжении каждой вершины. Растяжение – относительное удаление вершин от первоначальных координат, вызываемое влиянием внешних потоков. Напряжение, которое также можно назвать стресс – сила, с которой твердое тело стремится вернуться в свое первоначальное состояние. У каждого значения растяжения и напряжения есть изотропная (постоянная) составляющая, которую затем вычитают. Остаток представляет из себя чистое (переменное) растяжение и чистое напряжение.

Цель симуляции по Лагранжу – уровнять координаты, скорость, напряжение и растяжение вершин в начале и в конце каждого временного интервала. Аэродинамическое давление же просто будет включаться в изначальные данные.

Базовая концепция метода такова: напряжение используется для расчета сил, действующих на вершины, отсюда выводится ускорение, затем вычисляется скорость вершин, после чего обновляются их координаты. Затем определяется отклонение, то есть растяжение. Отсюда выводится напряжение, и значение растяжения и напряжения обновляются. Конечно же, в реальности производятся и другие вычисления для минимизации погрешностей.

Тем не менее, такой метод достаточно сложный. Зная скорости вершин, можно легко вычислить градиент поля скоростей и отразить его симметрично, тем самым получить относительное растяжение, которое затем разложить на переменное и постоянное. Степень переменного напряжения затем вычисляется через модуль сжатия данных, а постоянного через модуль объемной упругости. Затем их значения можно обновить.

Вычисления на первом временном интервале по Лагранжу рассматриваются как базовые данные для моделирования воздушного потока по Эйлеру, его результатом будет новое значение силы давления на переднее крыло. После этих вычислений цикл начинается снова.

Конечно же, конструирование гибких антикрыльев предполагает не только развитие технологий моделирования, но и понимание того, как обеспечить необходимую эластичность через складки углеродного волокна. Тем не менее, удивительно, что многие команды Формулы 1 используют программные продукты третьих компаний, а не разрабатывают собственные.