在讨论翼片的加工之前,首先要介绍夹芯材料及其功能。碳纤维织成的碳纤维布在纤维方向的受拉性能十分优越,但是对于面外力,碳纤维的薄板性能并不理想。夹芯材料可以很好地解决这个问题。夹芯材料有效防止了碳纤维薄板结构受压缩时的失稳现象,并能承载面外剪切负载。因为以上原因,夹芯材料必须有着很高的剪切强度和压缩刚度。最常用的夹芯类型是蜂窝结构和泡沫塑料(图8-14和图8-15)。蜂窝结构(尤其是蜂窝铝)的强度-重量比更高,但是不适用于复杂的几何结构。泡沫塑料夹芯实际上较蜂窝结构更重,并且其强度、刚度也较差。但是泡沫塑料可以轻易地机加工成需要的形状,因此在加工大学生方程式赛车空气动力学套件时应用更加广泛。
图8-14 芳纶材料蜂窝结构
图8-15 Rohacell®泡沫塑料夹芯
对于空气动力学套件中的薄板结构,如尾翼端板,考虑到规则规定了边缘的圆角半径,使用夹芯材料的做法十分普遍。然而对于翼型而言,存在空心与夹芯两种选择。空心的翼片首先生产出上、下翼面的两部分阴模,之后将其分别进行层合,最后通过合模将上、下翼面合为整体。总体而言,这种工艺更加类似于加工碳纤维管道。空心的翼片在铺层时更加容易,表面质量也往往更高。同时,中空的内部也允许传感器等的线路通过。但是缺点在于作为空套组件,工作时会受到巨大的面外剪切力,而为此需要增加额外的碳纤维布层数才能保证翼片不会断裂。额外的碳纤维布不仅增加了成本,也带来了额外的重量。夹芯的翼型生产方式更加多样,如可以在泡沫夹芯外侧进行铺层,之后将其整体放入匹配的阴模并抽真空、固化。其虽然理论上可以更轻,但是由于手工工艺等原因未必能够生产出更轻的翼片,且成品的表面质量往往较差。
思考题(www.xing528.com)
1.空套的效果在何种路段(直线/低速弯/高速弯)中更加明显?为什么?
2.决定大学生方程式赛车下压力的最主要空套部件是什么?为什么?
3.从空气动力学性能的角度来说,理想的车架和悬架设计应该是什么样的?
4.是否有必要在赛车前部加装Bullwing(图8-16)?为什么?若有必要,应该安装在什么位置?
图8-16 Bullwing(图中深色翼片)
5.前翼和尾翼是否有必要使用三维变截面翼型?若有必要,应该如何设计?
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