沐浴阳光:学生模拟太阳设计太阳能赛车

当数以百万计的大学生准备在这个夏天的假期里享受阳光时，多伦多大学的工程爱好者们却对这个炽热的球体有其他的计划。该大学的蓝天太阳能赛车队正在设计一辆太阳能赛车，以捕捉足够的光线，在明年的世界太阳能挑战赛(WSC)中成为顶级竞争者。目前有60多名成员，学生团队主要由具有工程、计算机科学、商业和市场营销背景的本科生组成。尽管他们的研究领域不同，但他们都获得了实际的模拟经验。

从车辆的前端到尾部，该团队集成了Ansys仿真解决方案，设计出了一辆具有最小空气动力学阻力，最高太阳能摄入量和最低电力系统能量损失的获胜太阳能赛车。

通过学生团队伙伴关系访问Ansys仿真工具Ansys学术计划，团队在汽车的所有部件和子系统之间更快、更准确、更无缝地迭代计算、模型和设计。该合作伙伴关系为学生团队提供免费的研究软件，并为他们的竞赛设计提供支持。

因此，他们的太阳能汽车为比赛做好了充分的准备，并且凭借实际的工程经验，团队为毕业后的生活做好了充分的准备，未来的职业预测是晴朗的天空和晴天。

太阳模拟

这不是该团队的第一次竞技比赛。蓝天太阳能赛车从1997年就开始了。从历史上看，这支队伍每两年忠实地参加两年一次的WSC比赛，这是一场横跨澳大利亚大陆的3022公里(大约1878英里)的比赛。

该队最新的赛车名为“Borealis”，是该队的第11代赛车模型，长5米(WSC允许的最大长度)，宽度和高度约为1.1米，与早期的车型相似。

该团队的项目经理Leo Han说，细长的设计减少了空气动力学方面的挑战，但空气动力学并不是唯一值得关注的问题。比赛规则包括一系列要求，包括车辆的能量储存、乘员空间、驾驶员和电气安全、转向、刹车等等。

“我们目前使用Ansys对汽车的所有子系统进行仿真，包括机械、结构和空气动力学，”韩说。“我们向竞赛管理委员会提交的设计文件的许多证据和理由实际上是以模拟结果的形式出现的。我们提交了Ansys的仿真结果、图表和数据，以证明我们的设计是安全的，符合规定。”

对于Borealis的开发，该团队使用了Ansys机械和Ansys流利大多数分别用于结构和流体分析，而依赖于Ansys Speos在过去，优化前照灯反射器——一种光学设计，仍然被用来增强汽车的光束。

虽然团队的规模每年都在波动，但在大多数开发阶段，至少有20名成员积极使用Ansys有限元分析(FEA)、计算流体动力学(CFD)和光学设计软件。该团队有几个部门，包括机械、空气动力学、电气、阵列、机电、结构、战略、制造和进步。

所有小组都共享校园内的一个专用空间，对面是大学的一个主要工程建筑。车间配备了车库门，方便进出，还有一个相邻的计算机实验室，有多个工作站，团队成员可以在这里进行分析、计算和模拟。车队充分利用了全年的设施来准备比赛，这包括先决条件。除了提前发送文件以满足监管标准外，WSC还要求太阳能汽车在比赛前一周通过初步“审查”，以便参加主要赛事。

检查通常包括机械和电气检查以及u型转弯和8字形机动等动态测试。虽然截至发稿时，WSC 2023年的完整时间表尚未公布，但比赛通常长达两周，其中包括大约五天的审查时间。

建立一个赢家，安全

除了能源效率，太阳能赛车或任何赛车最重要的方面是安全。虽然安全影响到汽车的方方面面，但结构上最关键的安全区域之一是驾驶员周围的空间。

团队的结构主管Paloma Manterola使用Ansys有限元模拟来确保热座椅周围的安全性。

曼特罗拉表示:“我主要使用Ansys机械公司来优化所有的底盘或防滚架，它们基本上是围绕驾驶员的部件，可以在发生碰撞、侧翻或任何灾难时保护驾驶员。”“保护车手是车队的主要问题和主要目标。Ansys模拟在这方面确实帮助了我们，同时也帮助我们在比赛中表现出色。”

Manterola和她的团队面临的主要挑战是优化底盘，底盘由碳纤维夹层板组成，同时平衡重量和强度。其目标是优化底盘，使其不会给车辆带来负担，同时在任何情况下仍能保护驾驶员。

为了实现这一目标，Manterola和她的团队将Mechanical与Ansys Composite PrepPost (ACP)结合使用。ACP是Ansys Workbench仿真集成平台中的集成工具，具有复合材料层压板建模的预处理(ACP-pre)功能和使用故障工具进行高级分析的后处理(ACPpost)功能。

首先，该团队使用ACP-pre构建夹层板和碳纤维叠层。然后，构件移至acp -桩，得到结构分析结果，包括最大主变形和应力变形。

一旦收集到这些数据，该小组就会使用机械方法来确定最大变形点或最大主应力点的值。确定了这些要点之后，就回到设计上来。

该团队现在可以确定底盘的哪些区域可以调整。一些区域可能需要更少的碳层和更轻的核心，而其他区域需要更多的碳层和更强的核心来获得额外的强度。Borealis的外车身也完成了类似的工艺，以减轻车辆的整体重量，同时仍能保护驾驶员。

Jimmy Huynh是一名机械主管，他解释了他们的团队是如何使用机械来测试车辆的悬挂系统的。

“我们使用Ansys机械来测试我们根据WSC发布的规定计算的负载，我们使用刚性动力学来获得适当的机械运动，并测试整个悬架系统，以确保没有碰撞，”Huynh说。“我们要确保汽车按照我们设定的车轮特性行驶，同时也要确保它不会干扰任何其他子系统。”

他们还利用机械公司的刚性动力学能力来测试整个汽车的小型机械系统，如铰链。

此外，空气动力学组使用Fluent来了解和改进汽车内外的空气动力学，内置的工具包括电机冷却、湍流建模和燃烧模型。

获得竞争优势

车队必须考虑的另一个因素是天气。如果你想知道太阳能赛车是否在阳光明媚的日子里表现最好，答案是肯定的。但影响环境的不仅仅是太阳。

阴天会使Borealis的能量输入减少三分之二，而由于空气动力学损失，强烈的逆风会使能量消耗增加一倍。另一方面，顺风可以帮助减少空气动力学损失。为了考虑所有与天气相关的变量，该团队分析了预报数据，然后将信息输入Ansys的模拟软件。利用这些结果，该团队对广泛的条件进行了额外的模拟，以确定可能的解决方案，例如在特定的风条件下，以什么速度驾驶车辆才能在比赛中表现最佳。

虽然Borealis的大部分动力依赖于太阳，但所有车队都允许在开始比赛时将电池组充满电，这允许以70公里/小时的速度行驶约3小时。

虽然这可以被认为是一个小小的开端，但与Ansys的预测准确性给团队带来的优势相比，它就相形见绌了，至少在团队成员看来是这样。

“我们正在对一辆5米长的汽车进行模拟，仅仅是它的体积，你不会期望模拟能给你那么高的准确性。但每次我改进网格，Ansys机械给我越来越多的知识，我需要如何修复-也许改变一个角的角度，使其不那么尖锐，”Manterola说。“能够获得这些信息真的很有帮助。是的，Ansys可以处理这个庞大的模型，同时也可以给出准确和快速的结果。它还允许我们轻松地从其他工具切换到Ansys的模拟，这使得迭代过程更快。”

Manterola称赞Ansys学术项目不仅提供了工具，还提供了在线支持。通过Ansys学习论坛和Ansys学习中心，Manterola和她的队友找到了许多常见问题的解决方案，包括错误信息的根本原因。此外，团队的另一位机械主管Tak Jariwala通过团队的入职培训计划帮助新员工学习软件。根据他的经验，即使是刚接触模拟的成员也会很快接受Ansys的工具。

贾里瓦拉说:“总的来说，我认为学习曲线通常是陡峭的，因为我们的很多新员工都是一年级或二年级的学生，他们对我们的课程还没有太多的经验。”“但我们试图使我们的培训模块相当直观，我认为Ansys模拟特别容易学习，一旦你接触到一个或两个课程。它相当直接，随着时间的推移也很容易上手。”

预测和模拟已经很好地理解了，留给团队的唯一问题就是谁来驾驶。理想情况下，团队选择三名司机轮流驾驶，以减轻负担，其中包括每天9小时的轮班驾驶。大约一个星期。

9小时轮班驾驶。大约一个星期。然而，由于疫情期间许多考试被取消，很少有团队成员获得驾驶执照。除了这个挑战之外，Borealis的车手轮毂的尺寸限制还造成了另一个障碍，即偏向于团队中最矮和最小的车手。

当团队试图寻找其他候选人时，韩计划，毫不夸张地说，为团队选择一个，然后开车。与此同时，北极光已经做好了准备，等待着被引导走向胜利。