2022年新规则下的F1前翼气动和结构设计 - 论文导读
2022年，F1的很多技术规则将会出现大改动。来自英国克兰菲尔德大学（Cranfield University）的两位研究者最近根据2022新规设计了前翼，并使用ANSYS软件分析了前翼的气动效果和结构强度。2022新规中关于前翼的相关规范如下：
作者自行设计了前翼和符合2018年技术规则的车身，整车的渲染图如图所示：
其前视图及前翼内部结构细节如图所示，前翼的表面、纵向加强筋和横向加强筋材料分别为碳纤维、芳纶纤维和钛合金。
对于同时需要考虑气动和结构的问题，通常为流固耦合问题，需要将气动压力作为主要载荷传递给结构，分析结构的变形。
对于气动分析，认为车辆处于最大速度状态，无侧风的环境中。其气动计算采用的参数如表所示。流动域采用长方体区域，车辆位于垂直对称面上，上游、下游、宽度、高度分别为12、15、20、10倍前翼弦长，不考虑车身其他部分的影响。
其前翼区域的表面网格如图所示，为三角形单元，尺寸介乎于2-6mm之间。边界层采用三棱柱单元，首层高度根据所采用的k-Omega SST湍流模型最优计算精度要求的y+=30进行了反推，并采用30层单元对整个边界层进行了离散，边界层厚度增长率1.1。
通过气动计算，得到的压力分布如图所示。根据压力分布的结果，下压力在主翼前端靠近车身的部分达到最大值，靠近翼尖的部位，下压力生成效果急剧恶化。
将压力作为载荷传递给结构分析，得到前翼结构的变形结果如图所示。前翼垂直方向上最大变形量2.26mm。前翼的翼片之间垂直方向上最大相对变形量0.31mm，可认为前翼之间的相对变形几乎不会影响前翼的气动性能。由于是在最大车速下的计算，绝大部分时候均无法达到此速度，因此实际比赛过程中前翼几乎不可能达到计算得到的变形量。
2022年的规则改变，必然对现有的车队实力格局产生影响，新规需要车队拿出新的技术思路和解决方案。本文的设计方案只是学者提出的设计想法，让我们对各个车队的设计方案拭目以待！
论文收录于MDPI的Fluids期刊，原文请见：https://www.mdpi.com/2311-5521/5/4/237/htm
