方程式赛车滥用工况仿真开发应用-解锁赛车性能与安全密码

导读：在赛车的世界里，方程式赛车无疑代表着顶尖的速度与激 情。每一场方程式赛事，都是对赛车性能极限的挑战，也是对车手勇气与技巧的严苛考验。而在这背后，赛车的设计与研发至关重要，它是保障赛车在极端条件下仍能稳定运行、发挥最佳性能的关键环节。

5月25日20 时（周日），我们将迎来2025赛车设计仿真第七期特别报告《方程式赛车滥用工况仿真开发》。本次线上报告，我们有幸邀请到拥有8年+汽车行业仿真经历的仿真秀优秀讲师-林老师，为大家深度剖析方程式赛车滥用工况仿真。直播干货满满，支持反复回看，欢迎分享给感兴趣的朋友，一同探索赛车仿真的奇妙世界。

一、方程式赛车滥用的具体表现

1、极端驾驶操作引发的滥用

急加速与急刹车：在比赛过程中，车手为了争取瞬间的速度优势或应对赛道上的突发状况，常常会进行急加速和急刹车操作。急加速时，发动机需要在极短时间内输出强大扭矩，这对传动系统的离合器、传动轴等部件产生极大冲击，可能导致离合器片磨损加剧、传动轴扭曲甚至断裂。急刹车则会使制动系统承受超高负荷，制动盘瞬间温度急剧升高，容易出现热衰退现象，降低 制动效能，严重时制动盘可能因过热而变形，影响刹车稳定性。

高速过弯时的侧倾力：方程式赛车过弯速度极高，车手在高速过弯时，车辆会受到巨大的侧倾力。这使得车身一侧的悬架系统承受极大压力，弹簧被过度压缩，减震器工作强度远超正常水平，可能造成弹簧疲劳失效、减震器漏油等问题。同时，侧倾力还会对轮胎产生不均匀磨损，外侧轮胎磨损加剧，影响轮胎寿命和抓地力，进而威胁赛车在弯道中的操控性能。

频繁换挡冲击：为了保持最佳的动力输出和速度，车手在比赛中频繁换挡。快速且猛烈的换挡操作会给变速箱内部的齿轮、同步器等部件带来强烈冲击，加速齿轮磨损，增加同步器故障的风险，导致换挡困难甚至变速箱卡死等严重故障。

2、复杂赛道环境导致的滥用

纵向滥用工况特征路面

颠簸路面冲击：部分方程式赛道并非完全平坦，存在起伏和坑洼。赛车高速行驶在颠簸路面上时，车轮会受到来自路面的不规则冲击力。这些冲击力通过悬架传递到车身，对车架、悬架连接部位以及车轮轴承等部件产生反复冲击，容易使车架出现疲劳裂纹，悬架连接部位松动，车轮轴承损坏，影响赛车行驶稳定性和安全性。

赛道边缘碰撞：车手在比赛中为了争取更好的线路和位置，赛车难免会与赛道边缘的路肩、护墙等发生轻微碰撞。这些看似轻微的碰撞，实际上会对赛车的车身结构、悬挂系统以及轮胎造成损伤。车身结构可能出现局部变形，影响空气动力学性能；悬挂系统的定位参数可能发生改变，导致车辆操控性能下降；轮胎则可能出现鼓包、划伤等问题，增加爆胎风险。

3、动力系统高负荷运行引发的滥用

方程式赛车的发动机为了追求极致的功率输出，在比赛中会长时间处于高转速区间运行。这使得发动机内部的活塞、连杆、曲轴等关键部件承受极高的机械应力和热负荷。活塞与气缸壁之间的磨损加剧，连杆可能因疲劳而断裂，曲轴的疲劳寿命也会大幅缩短，严重影响发动机的可靠性和使用寿命。

此外，许多方程式赛车采用涡轮增压技术来提升发动机功率。在涡轮增压系统工作时，涡轮增压器需要在极短时间内将大量空气压缩并送入发动机气缸。这会导致涡轮增压器的叶轮承受巨大的离心力和气流冲击力，容易出现叶轮变形、损坏等问题。同时，涡轮增压系统产生的高压气体还会对发动机的进气管道、中冷器以及气缸盖等部件造成额外的压力冲击，增加这些部件泄漏和损坏的风险。

二、应对方程式赛车滥用的对策

1、基于多体动力学软件的工况模拟与优化

Adams 多体动力学软件在方程式赛车滥用工况仿真中发挥着重要作用。以悬架系统为例，通过 Adams 软件建立精确的悬架多体动力学模型，能够模拟赛车在各种极端工况下悬架系统的运动学和动力学响应。例如，在模拟高速过弯工况时，可以分析悬架硬点布局对车轮外倾角、前束角等参数变化的影响，从而优化悬架硬点设计，使车轮在过弯过程中始终保持良好的接地姿态，提高轮胎抓地力和车辆操控稳定性。同时，通过对悬架系统在颠簸路面行驶时的动力学分析，可以优化弹簧、减震器的刚度和阻尼特性，有效减少路面冲击对车身的影响，提高赛车行驶平顺性和部件可靠性。

利用 Adams 软件还可以对方程式赛车的传动系统进行详细的动力学仿真。在模拟急加速、急刹车以及频繁换挡等工况时，软件能够精确计算传动系统各部件所承受的载荷和应力分布情况。通过分析这些数据，可以对离合器、传动轴、变速箱齿轮等关键部件进行优化设计。例如，优化离合器的摩擦片材料和结构，提高其抗磨损能力和传递扭矩的性能；对传动轴进行轻量化设计的同时，保证其在高负荷工况下的强度和刚度要求；优化变速箱齿轮的齿形参数和换挡机构设计，降低换挡冲击，提高传动系统的可靠性和耐久性。

2、整车侧向撞击路沿的强度仿真与评价

当方程式赛车与赛道边缘路沿发生侧向撞击时，整车结构的强度和安全性至关重要。Lsdyna 软件是一款广泛应用于汽车碰撞仿真领域的专业软件，它采用显示动力学算法，能够精确模拟赛车在碰撞过程中的复杂力学行为。在进行整车侧向撞击路沿的强度仿真时，首先需要建立包含赛车车身结构、悬架系统、轮胎以及路沿等详细模型的有限元模型。然后，根据实际赛道情况和赛车行驶速度，设定合理的碰撞边界条件，模拟赛车以一定角度和速度侧向撞击路沿的过程。

此外，通过 Lsdyna 软件的仿真计算，可以得到一系列反映赛车碰撞安全性的评价指标。例如，车身关键部位的最大变形量、碰撞力峰值以及各部件的应力分布情况等。根据这些指标，可以评估赛车现有结构设计在侧向撞击工况下的安全性水平。如果仿真结果显示车身某些部位变形过大或应力超过材料许用值，就需要对这些部位的结构进行改进。可以采用加强筋、增加板材厚度或优化结构形状等方式提高车身结构强度。同时，还可以通过优化悬架系统的吸能特性和轮胎的缓冲性能，进一步降低碰撞对车身的冲击，提高赛车在侧向撞击工况下的安全性能。

三、给方程式赛车设计与研发团队的建议

1、设计阶段的全面考量

基于仿真的多工况联合设计：在方程式赛车设计初期，设计团队应充分利用仿真技术，对赛车在各种可能出现的滥用工况下的性能进行全面预测和分析。将多种工况（如急加速、急刹车、高速过弯、颠簸路面行驶以及碰撞等）联合起来考虑，而不是孤立地对某个工况进行设计优化。通过多工况联合仿真，可以发现不同工况之间的相互影响和矛盾之处，从而在设计阶段进行综合权衡和优化，使赛车在各种极端条件下都能保持良好的性能和可靠性。

材料选择与结构优化协同：材料选择和结构设计是方程式赛车设计中的两个关键环节，两者应紧密协同。在选择材料时，不仅要考虑材料的强度、刚度等力学性能，还要结合赛车的滥用工况特点，考虑材料的疲劳性能、抗冲击性能以及轻量化需求。例如，对于承受高负荷和频繁冲击的部件（如悬架系统、传动系统部件等），应选用高强度、高韧性且疲劳性能好的材料。同时，通过先进的结构优化技术（如拓扑优化、形状优化等），在保证部件功能和性能要求的前提下，实现结构的轻量化设计，降低赛车自重，提高动力性能和操控性能。

2、测试与验证阶段的强化

建立一套涵盖多种滥用工况的全面测试体系是确保方程式赛车性能和可靠性的重要保障。测试体系应包括实验室台架测试、赛道模拟测试以及实际赛道测试等多个环节。在实验室台架测试中，可以对赛车的关键部件（如发动机、传动系统、制动系统等）进行专项测试，模拟各种极端工况下部件的性能表现，提前发现潜在问题并进行改进。赛道模拟测试则通过在模拟赛道环境中对整车进行测试，进一步验证赛车在多种工况组合下的性能和可靠性。最后，通过实际赛道测试，在真实比赛环境中对赛车进行全面检验，收集实际数据，为后续的优化改进提供依据。

在测试过程中，利用先进的数据监测技术，对赛车的各项性能参数（如车速、加速度、发动机转速、部件应力等）进行实时监测和采集。通过对大量测试数据的深入分析，挖掘数据背后隐藏的信息，及时发现赛车在滥用工况下存在的性能缺陷和故障隐患。同时，将数据分析结果及时反馈给设计研发团队，以便对赛车进行针对性的优化改进。这种基于数据驱动的设计优化流程能够不断提高方程式赛车的性能和可靠性，使其在激烈的比赛中更具竞争力。

哈尔滨工业大学HRT车队

3、滥用工况仿真开发应用公开课

5月25日20时（周日），请锁定仿真秀直播间，林老师将为大家带来更深入、更全面的方程式赛车滥用工况仿真开发知识讲解，从理论基础到实际案例，从软件操作到应用技巧，带你全方位领略方程式赛车仿真的魅力。

无论你是方程式赛车的狂热粉丝，还是从事汽车设计仿真相关工作的专业人士，这场直播都不容错过！让我们一起在仿真的世界里，为方程式赛车的性能提升和安全保障贡献智慧与力量。

（1）主讲嘉宾

林老师，毕业于北京航空航天大学，硕士学历，仿真秀专栏作者

8年汽车强度耐久仿真工作经验；精通基于Hypermesh/ANSA的CAE模型前处理软件应用，擅长的求解器包括abaqus，nastran，optistruct，lsdyna，熟悉基于ncode/femfat的疲劳分析；熟悉掌握tosca/optistruct结构优化技术；擅长的专业领域包含：汽车结构刚强度评价、非线性分析、螺栓预紧力/力矩衰减、过盈装配、随机振动、路谱疲劳和台架疲劳、碳纤维复合材料结构强度分析、传热分析等。

（2）报告内容

• 方程式赛车滥用工况强度仿真概述

• 开发流程

• 多体动力学建模

• 整车滥用工况定义

• 试验数据采集

• 整车侧向撞击路沿工况介绍

（3）如何观看

请识别下方二维码报名观看，支持反复回看，欢迎分享到朋友圈。

2025赛车设计仿真（七）：方程式赛车滥用工况仿真开发应用-仿真秀直播