做座AltairOptiStruct助力超音

Altair OptiStruct助力超音速汽车“寻血猎犬”

直击陆上极速世界纪录的突破

创新的超音速汽车的设计师们表示希望该项目能够激发新一代设计师和科学工作者们的设计灵感

早在1997年，内华达的黑岩沙漠，两个英国人立下了一个誓言：突破陆上极速世界纪录。这两个人就是Richard Noble和Andy Green。当时作为英国皇家空军（Royal Air Force）飞行员的Any Green驾驶一辆由Richard Noble等人研发的喷气式超音速汽车“超音速推进号”，速度达到763mph。

到了2010年，他们的誓言变成了一个更深层次的双重使命：设计一种高达1.4马赫数（1065英里/小时（约1600公里/小时）的超音速汽车，同时从该项目的技术和经验中获得激发当前学生在科学探索、技术研究、工程数学等领域的钻研和创新精神的力量。

这一新的使命依赖于超音速汽车“寻血猎犬”（Bloodhound SSC）的成功问世。超音速汽车“寻血猎犬”车体搭载新型战斗机（EuroJet EJ-200）发动机，并配有一个固液混合火箭发动机。整辆汽车长度达到42英尺，重量近6.5吨。除EJ-200发动机外，该超音速汽车的其余所有部件全部实现定制设计。

为了遵循F1A创建的陆上极速纪录的规则，每辆超音速汽车必须至少配备4个车轮，其中至少有2个位于驾驶区域。除此以外，设计师可以按照自己的构思进行创新设计，于是，令人惊叹而充满挑战的超音速汽车“寻血猎犬”就诞生了。

位于英国布里斯托尔的“寻血猎犬”研发基地，设计团队利用一系列的技术来呈现他们的创新设计，包括计算流体力学（CFD）和结构优化技术(Optimization)。Noble先生说：“这一项目获得成功的关键因素是采取了大量的计算建模，来增加创意的可行性和降低设计风险。在车辆高速驾驶到户外之前，我们进行了一系列的仿真分析，以证实我们原始创意的可行性。”

惊人的挑战

Noble作为超音速汽车“寻血猎犬”的项目经理，指出该设计是相当具有挑战性的。他解释说为了让项目能够激发新一代工程师的设计灵感，这必须要具有标志性意义的——就像公众所认为的“令人震撼的”才行。这也是为什么我们的团队最终选择了挑战1.4倍超音速原始目标的原因之一。

一旦确定了目标，整个团队很快意识到他们需要充分利用自己的设计能力。车辆的设计是介于飞机和赛车之间的混合产物，它的底盘类似于飞机，同时要配备如同赛车一样的车轮、悬架、方向盘和刹车系统。Noble说整个团队必须明确其方案必须考虑的主要设计元素，例如空气动力学、车轮和动力装置，每一项都得呈现其特有的“工程机遇”。

空气动力学主管Ron Ayers解释说，车体结构必须达到难以致信的刚硬和结实。他预估在最大速度时的气压高达每平方米12吨，这时的气动力可以轻易地将车体从地面掀起或足以破坏其悬架系统，所以精确地控制垂直力是非常重要的。

由于车辆的静态和动态稳定性会涉及到难以估计的领域，设计团队从汽车和飞机工程师们中学到技术来完成车辆的稳定性问题。在慢速状态下，重力占绝对地位；而在1000mph速度状态下，则完全由气动力来控制。

车轮将承载6.5吨的车身重量并保持10，000rmp转速，这样车轮边缘的压力可达到50，000g。在车辆持久运行期间，4个车辆保持相同的载荷是非常重要的。小翼被装配于车轮之上，达到充分的动态平衡，在微秒内稍加调整；使得它们能够帮助保持车轮载荷达到1.4Mach。

除此之外，车胎和车轮与地面的相互作用形式也是考虑的重点问题。设计团队选择了一种特殊的表面（一种可变形介质）。当发生变形的时候，动力装置受控于车轮和地面的摩擦以及其内部摩擦。由于车轮与地面相互作用的数据相对比较缺乏，所以预测车辆的状况非常复杂。

EJ-200喷气式发动机和固液混合火箭发动机（包含固体推进器和液体氧化剂）增强了车辆的性能。火箭发动机提供原始动力，而喷气式发动机提供动力控制。火箭发动机设计产生27000英镑的推力，长14英尺，直径长18英寸，几乎和一级方程式赛车一样长。喷气式发动机能够产生20000英镑的推力，给汽车总共提供47000英镑的推力——相当于135000匹马力或180个一级方程式赛车的功率。

此外，一个800马力赛车用发动机会泵送若试样单1过氧化氢(HTP)、液体氧化剂到火箭的固体燃料来点燃它。只要HTP在流动，固液混合火箭发动机就只能燃烧它的固体燃料。当HTP停止流动，火箭发动机就安全熄火。

虚拟仿真分析

Noble说整个团队将最后33个月的时间放在了空气动力学方面的研究和火箭助推器研发上。事实上，车辆已经尝试了10个不同的设计方案。“我们必须确保重心和压力中心在正确的位置。”他说，“在概念设计阶段，在1.3马赫时的浮力为12吨，我们最后确定了一个安全的设计方案——不会产生浮力。在此，我们非常感谢合作伙伴Intel，给我们提供了3台超大的计算集群来帮助我们进行仿真分析。”

设计团队用了18个月的时间来构思如何在沉重的EJ-200喷气式发动机上放置441-lb火箭发动机。然而，随着概念设计的进程，设计人员发现需要更多的推力来克服空气阻力。在经过细致的评估后，他们决定利用重约882英镑的固液混合火箭发动机，不幸的是火箭发动机GB/T 3098.9⑵002 紧固件机械性能 有效率矩型钢6角锁紧螺母上额外的推力使得车辆发生摇晃，于是设计人员返回到设计面板和概念设计上，将喷气式发动机放在火箭发动机之上。

CFD软件工具在车辆的研发过程中起到了至关重要的作用。设计人员已经使用了威尔士斯旺西大学研发的CFD软件。CFD工程师Ben Evans说仿真的可视化功能帮助设计团队更好地分析车辆的在流体状态下的情况，如冲击波、边界层和压力分布等。

由斯旺西大学特别开发的计算流体软件帮助超音速汽车 “寻血猎犬”

设计师更好地分析车辆的空气动力学性能

总工Mark Chapman说设计团队利用CFD软件工具来验证车辆设计的可行性。“流体动力学推动车辆及其内部空间的设计造型。在此没有风洞测试。”

在这个研发阶段，车辆的外观设计已经基本形成，研发的重点转移到内部设计和构造阶段。

跳出框架”思维

据Chapman回忆，在验汽车变轻证超音速汽车“寻血猎犬”概念设计可行性的阶段，优化软件同样扮演了重要角色。他举例说他们利用优化软件来验证后方底盘结构和分析前后车轮的结构设计。

当设计人员重新设计车辆，将喷气式发动机置于火箭发动机上，后方底盘就得重新改装。设计团队利用Altair公司 HyperWorks CAE软件包中的OptiStruct优化技术来确定材料使用最有效的方案。OptiStruct软件包括拓扑优化、形状和尺寸优化功能，帮助工程师在概念设计的早期从多重设计中快速确定主要载荷路径。

Chapman说设计团队开始是选择了碳纤维复合材料，但是测试结果反应这种材料坚硬度不够，无法满足需求。Noble还补充说当喷气式发动机和火箭发动机重新组装设计后，一旦出现火情，复合材料结构也是无法抵御的。因此最佳的解决方案就是研发一种钢结构。设计团队借助于Altair的 OptiStruct的计算仿真来达到最佳的强度与重量的比率。

“寻血猎犬”工程师建立了不同的模型，布置的不同的肋和衍架结构。Chapman说“OptiStruct给我们指点了如何合理布置相应的材料，达到最佳的强度-重量比。我们最终设计了一个完美的测地线拱顶结构——而不是我们原先能想到的结构。”

设计团队采用OptiStruct类似的方法对车轮的垂直上方进行了分析。由于车轮上方产生巨大的载荷，设计团队原始设计中采用了钛材料，钛是坚固而轻量的一种材料，但价格昂贵。设计者采用OptiStruct优化车轮设计——在不影响性能的前提下用最少的材料。借鉴实验设计方法论，最终通过优化充分降低了载荷，所以在最终设计中车轮改为由成本较低的铝制成。

Chapman说:“通过OptiStruct，我们能够看到哪些地方的材料可以从部件中增加或去除。对于我们来说，这一设计方法转变的价值是非同小可的。通过我们的努力，软件指引我们在一些地方增加了材料，而另一些地方削减了材料。如果没有OptiStruct，我们将无法得到这些珍贵的提示。”

超音速汽车“寻血猎犬”设计团队利用Altair OptiStruct优化车辆结构。

上面的图表示OptiStruct优化后的输出文件，而下面的图表示设计团队如何将其生产出来

“有了Altair的OptiStruct，”Noble说，“我们拥有了一辆坚固而轻便的超音速汽车。这是其它方法无法办到的。”Chapman解释说对于他们这样一支非传统意义的设计团队，必须具备非比寻常的工具。 “我们出现的不是传统的“工程”问题”他说，“我们出现的问题非常特别。OptiStruct让我们意识到我们问题的独特性并提供了相应的解决方法。”

与高校的合作

超音速汽车“寻血猎犬”的设计团队在努力研发的同时，与英国高校合作开设该项目的相关课程，实现激发当前学生在科学探索、技术研究、工程数学等领域的钻研和创新精神的重要使命。

这样，英国的学生，覆盖低年级学生到研究生阶段，开始跟随着设计团队的项目进程。英国的师生可以了解到车辆的研发、设计、模型创建和测试的相关信息。教育院校还可以从其中获得资源创建不同级别的课程；他们还可以去布里斯托尔参观车辆的研发紧张。除此之外，还鼓励学生加入“寻血猎犬”青年俱乐部以及参加科学和工程竞赛。

“寻血猎犬”(Bloodhound)的超音速汽车

背景

超音速汽车“寻血猎犬”取名于布鲁斯托尔的寻血猎犬2，一种地空导弹，可以从启动加速到每2.5秒1Mach。寻血猎犬被用于该项目的名称。以下是该车辆的相关性能数据

轴距 29英尺

长度 42英尺

重量 14,158英镑（加满油的状态）

转弯半径 394英尺

最高高度 9英尺

燃料容量 132加仑

EJ-200推力 20,000英镑

27,000 lbs 火箭发动机推力 207,000英镑

下线路线图

超音速汽车“寻血猎犬”的设计团队依然还有很多工作要做。Noble说他们计划在夏天完成这就需要操作人员必须定期给机器装备做保养保护细节设计，然后进行部件的制造和车辆的装配。车辆的首次亮相被定于2011年的夏末，并于2012年展开全部活动。（注：“寻血猎犬”已完成了设计）

设计团队将首先进行静态测试，比如确保发动机的正常运行。然后，他们将在英国的高速公路上以200mph速度训练运行团队和调试车辆。最后的试驾将在南非北开普省的Hakskeen Pan荒地进行，创造陆地极限速度。

在最后的试驾阶段，团队将其提速到650mph。Chapman说这个超音速的范围，看上去会非常有意思。而计算预测车辆与地表的相互作用、车体周围气流和车辆和地面的冲击波是非常困难的。这就是为什么在物理测试中必须每50mph增量——接近计算模型，进行测量的原因。

“我们搜集了所有数据，”Chapman说，“测试物理性能，然后与预期数据进行对比。如果无法预见到车辆发生的状况，我们就降低速度增量，并且返回到计算模型。我们想要确保安全性。”

我们为什么选择Hakskeen Pan作为试驾的场地？Noble说这是由很多因素综合而成的：这个场地有10英里长，两端各有1英里的清场跑道；平地；地面相当牢固，足可以满足6.5吨超音速汽车在上面运行。

Noble解释说陆上极限速度的记录由60分钟内两次运行的平均速度计算得出。团队需要足够的空间来使6.5吨的车辆完成转弯和其他任务：给喷气式发动机加油、给火箭发动机添加固体燃料、以及重新装载减速器放慢汽车速度。

一项标志性的工程冒险

超音速汽车“寻血猎犬”团队正面临着一个挑战和一项标志性的工程冒险。Chapman说：“没有一个答案是正确的，没有一个创意是错误的。这是相当令人兴奋的。”

Noble说：“我们不同于飞机/赛车的研发经验。这个项目的一切都是全新的、创造性的。”

Chapman提到了仿真工具，如CFD和Altair的 OptiStruct，在创新中发挥了重要作用。“这些工具，”他说，“功能非常强大，让我们想到了以前没有想到的东西。利用这些工具，让我们的思维跳出了框架。”

设计团队对技术的依赖推动了他们获得尖端科技的能力。在他们的努力下，高级冶金术、地面空气动力学、高振动遥感探测、低层次喷气和火箭发动机操作都达到了他们预期的结果。

“这个项目没有先例，”Noble说，“我们所做的一切都是创新的，而且可共享于络。在世界上，人们会探究我们所做的内容，并且进行工程仿真的研究。我们都有一个任务来推动前沿技术，只要我们能够做到。这里还可以获得很多新的发现。”(end)