Компьютерное моделирование в процессе разработки Volkswagen I.D. R Pikes Peak
- Разработка и расчеты для гоночного электромобиля велись с использованием компьютерного моделирования (CAE)
- Инженерам удалось достичь идеального сочетания легкости и прочности конструкции
- Для расчета аэродинамических показателей использовались методы гидродинамического моделирования (CFD)
Одна из отличительных особенностей гонки по подъему на холм Пайкс Пик — серьезное ограничение на количество тестовых заездов. Работая над болидом I.D. R Pikes Peak, инженеры Volkswagen Motorsport не имели возможности преодолеть сотни кругов по трассе, как, например, участники «Формулы-1». По условиям соревнования Ромен Дюма (Romain Dumas), достигший вершины высотой 4.302 метра за рекордное время, не мог совершить полноценныйтестовый заезд по реальной трассе на первом полностью электрическом автомобиле Volkswagen.
«Мы в значительной степени полагались на компьютерное моделирование, особенно на начальном этапе разработки I.D. R Pikes Peak», — отмечает руководитель отдела расчетов и моделирования Volkswagen Motorsport, доктор Бенджамин Аренхольц (Benjamin Ahrenholz). «Мы пользовались программами моделирования для расчета тех узлов I.D.R Pikes Peak, которые были подвержены значительному износу конструкции. Среди них — ходовая часть, несущий корпус кузова, задний подрамник и заднее крыло», — отмечает Аренхольц. Методы компьютерного моделирования (CAE) направлены на решение главной задачи: деталь должна обладать минимальным весом и при этом легко справляться с нагрузками, возникающими во время гонки. Соответствующие расчеты были выполнены при использовании метода конечных элементов (FEM): специалисты разделили сложную конструкцию гоночного автомобиля на множество небольших деталей с прогнозируемым поведением.
Компоненты, оптимизированные с помощью компьютерного моделирования
«Эта методика позволила нам понять, какие узлы I.D. R Pikes Peak следовало укрепить, а где мы могли сэкономить материал и, тем самым, уменьшить вес, а также выявить элементы конструкции, которые требовалось изменить», —отмечает Аренхольц. В отдельных случаях для разработки вариантов по улучшению конструкции использовалась топологическая оптимизация.
Команде доктора Аренхольца значительно помогло то, что трасса длиной 19.99 километра была практически полностью воссоздана в виде компьютерной модели. Особую сложность для инженеров Volkswagen Motorsport представляла часть трека у вершины холма. «Дорожное покрытие этого участка настолько неровное, что здесь ходовая часть подвергается увеличенным нагрузкам, в сравнении с ровным отрезком в начале пути, — отмечает Аренхольц. — Мы до конца не были уверены в том, что ждало I.D. R Pikes Peak в верхней части трассы, и поэтому заложили определенный запас прочности». Компьютерное моделирование позволило не подвергать отдельные детали предельным нагрузкам и прогнозировать их поведение за несколько секунд, однако повторные вычисления требовали определенного времени.
Сотни вариантов аэродинамических форм смоделированы на компьютере
При совершенствовании аэродинамики I.D. R Pikes Peak использовались методы гидродинамического моделирования (CFD, одного из методов компьютерного моделирования). Специальная программа рассчитывала влияние даже самых незначительных изменений в конструкции и настройках кузова и спойлеров болида I.D. R Pikes Peak на коэффициент аэродинамического сопротивления, прижимную силу и входящий поток охладителей. «Подобным образом мы смоделировали сотни различных конфигураций и только после этого испытали модель в масштабе 1:2 в аэродинамической трубе», — отмечает Аренхольц.
Момент выезда электромобиля I.D. R Pikes Peak на реальную трассу перед первым тестовым заездом стал ярким событием для руководителя отдела расчетов и моделирования Volkswagen Motorsport и его команды. «После финальной сборки гоночного автомобиля всегда остается доля неопределенности», — отмечает Аренхольц.