PRUMYSL.CZ KONSTRUKTER.CZ 3D-TISK.CZ MATEMATIKA.CZ HLEDAME.CZ

Doping pro závodní auta z počítačových simulací

Le Mans Prototype (LMP) jsou ta nejrychlejší uzavřená auta, s jakými se můžete setkat na závodních okruzích. Vděčí za to nejen svým jezdcům a konstruktérům, ale také detailnímu zkoumání aerodynamiky.

Navzdory tomu, že bývají až o čtyřicet procent těžší, než vozy Formule 1, je možné s LMP často dosahovat podobně vysokých rychlostí. Nicméně na rozdíl od F1, vozidla LMP dokážou držet závodní tempo až po dobu čtyřiadvaceti hodin během vytrvalostních závodů, jako je třeba ten s názvem 24 Heures du Mans, po němž nese tato závodní kategorie své jméno.

Prototypy Le Mans se dělí do dvou tříd:

  • Kategorie LMP1 je určena týmům předních výrobců automobilů, kteří v ní také dominují. Díky takřka neomezeným rozpočtům bývají závody LMP1 mnohdy využívány pro testování nových technologií, třeba hybridních pohonů.
  • Striktnější kategorie LMP2 udává omezení nákladovosti a je vyhrazena menším soukromým týmům. Vozy LMP2 mohou mít pouze jednoduchou aerodynamickou výbavu (pro okruhy s prudkými zatáčkami) a jednoduchou sadu nízkoodporových prvků, jež automobilům umožňuje poprat se s výkonnostními závody, jako je 24 Heures du Mans.

Vozy LMP1 a LMP2 pak soupeří bok po boku na závodech World Endurance Championship a seriál Le Mans.

Inspirace od Formule 1

Lotus T128 má být jakousi revolucí v kategorii LMP2 na světovém vytrvalostním poháru World Endurance Championship. Bohatě inspirován perfekcionistickými postupy ze světa Formule 1, bude Lotus T128 prvním vozem v LMP2 navrženým s intenzivním využitím počítačových simulací. Jakým způsobem ovlivnily počítačové simulace proudění (CFD) aerodynamiku tohoto vozu, nám pro účely tohoto článku prozradil Stéphane Chosse, designér z konstrukční kanceláře Adess.

Analýza proudění vzduchu nad horní částí automobilu.

Analýza proudění vzduchu nad horní částí automobilu.

Motorsport a CFD jsou podle něj synonyma. Už od chvíle, kdy někoho před pětačtyřiceti lety poprvé napadlo připevnit na závodní auto zadní křídlo, zaměřila se většina úsilí při navrhování závodních vozů na vývoj aerodynamiky. Rozdíly v aerodynamických vlastnostech jsou spolu se schopnostmi pneumatik a s výkonem motoru tím detailem, který rozhodne o vítězství nebo prohře. Je pravděpodobné, že honba za slávou v automobilových závodech má na svědomí víc výpočetních cyklů aerodynamiky, než jakýkoliv jiný obor.

Závodní vůz Lotus T128 na počítačové vizualizaci.

Závodní vůz Lotus T128 na počítačové vizualizaci.

Dopady CFD na vlastnosti vozů Formule 1 v roce 2009 poprvé přiznala také automobilová asociace FIA. Výsledkem bylo nařízení o omezení výpočetních zdrojů, ve smyslu nastavit určitou horní úroveň, která zamezí tomu, aby lépe zafinancované týmy svoje menší konkurenty zkrátka „nepřesimulovaly“ díky dostupnosti výkonnější výpočetní síly, jakou si mohou nakoupit.

Ve své současné podobě (která je v době psaní článku přehodnocována) toto nařízení omezuje každý tým na čtyřicet bilionů výpočetních operací při počítačovém řešení aerodynamiky během osmi týdnů. Není náhodou, že ty nejbohatší týmy zainvestovaly do vývoje nejvyspělejších simulačních procesů, které jim umožňují dosáhnout v rámci tohoto omezení nejlepších výsledků, čímž udržují svoji konkurenční výhodu navzdory nastaveným limitům.

V březnu loňského roku debutoval tým Kodewa s jejich novým vozem T128 LMP2 na dvacetihodinovém závodu Twelve Hours of Sebring na Floridě. Kategorie LMP2 je nákladově omezená, přičemž umožňuje soukromým týmům soutěžit na stejných závodech, kde se utkávají vozy LMP1 předních světových výrobců, jež mají méně striktní nařízení a téměř neomezené rozpočty. Ani LMP2 však není „z levného krámu“ – cenové limity činí 355 tisíc eur pro podvozek a 75 tisíc eur pro motor. Hovoříme tedy o vrcholné úrovni motorsportu.

Ačkoliv šasi mnoha vozů LMP2, které se účastnily sezóny 2013, bezpochyby prošly jedním nebo dvěma testy CFD, žádný z nich nebyl navržen s tak intenzivním využitím této výpočetní technologie, aby mohl být srovnáván s kategorií F1. Tedy až na jednu výjimku, kterou je právě Lotus T128, první automobil z kategorie LMP2, kompletně navržený s využitím procesů řízených výpočetními simulacemi. Inženýři z firmy Adess na něm zúročili svoje dřívější zkušenosti, získané na zakázkách pro závody Le Mans a Formule 1.

Na aerodynamice záleží

Společně s vlastnostmi pneumatik je aerodynamická přítlačná síla klíčovým faktorem stability a rychlosti závodního auta. Vyšší přítlak znamená lepší přilnavost kol k vozovce, díky čemuž lze dosahovat vyšších rychlostí v zatáčkách a efektivnějšího zrychlování i přibrzďování. Větší přítlačné síly se také často dosahuje za cenu většího odporu, což snižuje dopřednou rychlost a zvyšuje spotřebu paliva, avšak benefit v podobě zvýšené rychlosti v zatáčkách to snadno vykompenzuje.

Absolutní velikost přítlačné síly je nejdůležitější pro relativně pomalé zatáčky, ve kterých působí menší boční síly a není nutno tolik zatáčet. V rychlých zatáčkách je přenos přítlačné síly mezi předními a zadními koly – takzvaná aerobalance – podstatnějším faktorem řiditelnosti závodního auta. Ideálem je perfektně vyvážený „neutrální“ vůz, který se ani nepřetáčí, ani nedotáčí. Pokud na přední kola nepůsobí dostatečná přítlačná síla, pak se auto v rychlých zatáčkách nedotáčí. Pokud působí nedostatečná síla na zadek, bude se naopak automobil přetáčet.

Ve srovnání s přítlačnou silou a aerobalancí není minimalizace odporu obvykle řazena k primárním problémům při návrhu závodních aut, je však taktéž důležitá. Odpor nicméně hraje u vytrvalostních vozů LMP větší roli než v jiných kategoriích. Už i malé snížení odporu vede k podstatným úsporám při spotřebě paliva. V rámci celého čtyřiadvacetihodinového závodu znamená nižší spotřeba méně zastávek pro natankování a překonání větších vzdáleností mezi nimi. Toto může dozajista rozhodnout o vítězství či o prohře ve vytrvalostním závodu.

Specifickou výzvou je v kategorii LMP2 fakt, že tato auta musejí být konkurenceschopná jak při vytrvalostních závodech, jako je 24 Heures du Mans, které vyžadují nízký odpor, tak na mnohem kratších rychlostních závodech, jež trvají pouze šest hodin a je při nich potřebná mnohem větší přítlačná síla.

Předpisy respektují potřebu sladit tyto protikladné požadavky tím, že týmům umožňují využít jednoduché nízkoodporové doplňky pro vytrvalostní závody (i zde platí nákladové omezení, a to na cenu do deseti tisíc eur). Také aerodynamický výkon těchto prvků musí být zahrnut do posuzování během návrhového procesu.

Další kritérium, které se musí brát v potaz, je chlazení brzdového potrubí a motoru (Lotus stáje Kodewa používá osmiválec s objemem 3,6 litru, ale předpisy povolují taky dvoulitrový šestiválec). V obou případech musí být chlazení zajištěno s konstantní ventilací při rozdílných závodních podmínkách, aby se předešlo kritickému přehřátí a přerušení závodu v jeho důsledku.

Vzhledem k tomu, že předpisy LMP2 nařizují neměnnou podobu šasi po celou sezónu, nemají inženýři z kanceláře Adess možnost ladit design automobilu podle zkušeností mezi jednotlivými závody. Jak řekl designer Stéphane Chosse: „Neexistuje možnost selhání. Auto, které navrhujeme, musí být konkurenceschopné při svém prvním závodu a musí to tak vydržet po celou sezónu navzdory mnoha různým podmínkám, které během ní nastanou.“

Proč počítačová analýza proudění?

Předtím, než byla k dispozici dostupná analýza proudění prostřednictvím počítačů, opíral se vývoj aerodynamiky závodních automobilů o zkušenosti z větrných tunelů. Testování ve větrném tunelu je nicméně finančně i časově náročné a nehodí se pro iterativní vyhodnocování designu, které je navzdory omezenému rozpočtu pro efektivní výsledek při posuzování auta nezbytné. Ačkoliv tento typ ověřování stále hraje důležitou roli, většina náročných testů se dnes provádí s využitím CFD.

Proudnice ilustrující vzduch unikající od kol a zespod vozu.

Proudnice ilustrující vzduch unikající od kol a zespod vozu.

CFD v podstatě slouží jako filtr, umožňující inženýrům velmi rychle prozkoumat více rozdílných designových konceptů, eliminující ty nejhorší a vyzdvihující ty nejlepší nápady předtím, než je ten vybraný poslán do větrného tunelu. Stéphane Chosse tento proces přirovnává k evoluci podle Darwina: „Doslova jde o to, že přežije ten nejsilnější. S pomocí CFD jsme schopni rychle odhalit slabiny i výhody daného designu. Ty nejlepší návrhy se vyvíjejí v průběhu mnoha iterací a pouze ten nejkvalitnější se dočká testu ve větrném tunelu.“

Při navrhování závodního T128 prověřili v kanceláři Adess více než padesát různých designových konfigurací. S pomocí softwaru StarCCM+ postupně vybrali čtyři, z nichž tři nejlepší postoupily do dalšího testování ve větrném tunelu. Jednu designovou konfiguraci byl tým schopen nastavit, spočítat a analyzovat během čtyřiadvaceti hodin, z čehož manuální interakce zabrala pouhých pár minut.

Detailní posouzení proudu po stěně bočnice zadního křídla.

Detailní posouzení proudu po stěně bočnice zadního křídla.

Tato činnost byla jádrem automatizovaného procesu, který si Choose a jeho tým přinesl z projektů F1. Namísto ručního importu geometrií, tvorby sítí a spouštění simulací, je vše spouštěno v dávce používající makra jazyka Java, která software StarCCM+ automaticky řídí. Vše, co musí výpočtář udělat, je v principu identifikace CAD modelu dílu, který se má modifikovat. O pár hodin později (a po ohromné spoustě výpočtů) je automaticky vygenerována zpráva, obsahující výsledky simulace včetně aerodynamických koeficientů a sada speciálně zvolených diagramů.

„Tento automatizovaný postup našim inženýrům umožňuje provádět více simulací s menším úsilím,“ říká Chosse. V konečném důsledku jsou schopni prozkoumat kompletně celý návrh, namísto pouhých několika jeho částí. Co je ještě lepší, jelikož tento proces vyžaduje jen minimum ruční práce, můžeme se více soustředit na vyhodnocení výstupů z těchto simulací, namísto neustálého opakování některých úkonů.“

Každá CFD simulace využívá zhruba šedesát milionů výpočetních buněk reprezentujících vzduch kolem vozidla (vychází se z toho, že proud vzduchu podél auta je perfektně symetrický v přímém směru). Výpočetní síť je místy více detailní, aby pokryla oblasti s prudkými přechody, což vede k menší velikosti buněk poblíž povrchu automobilu, v místech předělů a tam, kde se očekávají vlečné víry.

„Aerodynamika závodních aut je čím dál víc o zvládnutí vírů,“ říká Jan Czarnota, CFD výpočtář ve firmě Adess. „CFD simulace nám umožňují vizualizovat vznik vírů a předvídat jejich kombinování a působení; to vše je zásadní pro to, abychom dokázali navrhnout závodní auto s vysokou přítlačnou silou, které je stabilní při mnoha různých podmínkách.“

CFD simulace je nepostradatelná také pro předpovídání proudění v místech, jež nelze dostatečně posoudit samotným testem ve větrném tunelu, jako jsou povinné díry v náraznících, které nařizují pravidla LMP2 za účelem snížení tlaku kolem kol, a také posouzení chlazení motoru a brzd, což by obojí šlo jen stěží otestovat v měřítku modelu ve větrném tunelu. „Pokud bychom záviseli pouze na analýze ve větrném tunelu, zabral by návrhový proces takového auta nejméně desetkrát víc času, byl by mnohem dražší a výsledkem by byl pomalejší a obtížněji ovladatelný automobil,“ říká Chosse.

Ve větrném tunelu

Tým inženýrů z Adess navštěvuje větrný tunel jednou měsíčně, dokud nezačne testování na trati. V tunelu se používá model v měřítku 50 % skutečné velikosti auta, který je 2,5 metru dlouhý a zhruba 1,5 metru široký. Cíle tohoto testování jsou dva.

Zaprvé jde o to získat nějakou validaci k výsledkům CFD simulací tím, že je v tunelu posouzen daný návrh za zcela stejných podmínek, jaké byly nastaveny při CFD výpočtech – s konstantní rychlostí 250 km/h.

Jednou z velkých výhod větrného tunelu je to, že jakmile už jste zainvestovali výrobu modelu a pronajali si tunel, je relativně snadné otestovat tento model za mnoha různých experimentálních podmínek. V souvislosti s tím je druhým úkolem provést kompletní posouzení designu jeho analyzováním za různých rychlostí, stejně jako zkoušení kompletní směsice manévrů při řízení.

„Na tyto testy navážou další intenzivní CFD simulace, jejichž smyslem je názorně vysvětlit jakékoliv neočekávané výsledky, například anomálie při určitém úhlu zatočení a rychlosti,“ říká Chosse. „Tento proces zajistí, že finální návrh vozu bude optimalizován pro kompletní rozpětí možných podmínek při závodění.“

Na závodech

Ještě předtím, než zažije svůj závodní debut na okruhu Twelve Hours of Sebring na Floridě, absolvuje Lotus T128 jízdy na testovací dráze. Tým Kodewa bude závodit se dvěma těmito vozy, přičemž takto optimalizované šasi hodlá také prodávat konkurenčním týmům ze série Le Mans a World Endurance Championship.

Pokud se odborníkům z firmy Adess podařilo na LMP2 úspěšně aplikovat jejich zkušenosti z F1, měl by Lotus T128 slavit na závodech v následujících letech úspěchy. Dalším úkolem inženýrů je využít získané know-how pro změnu na vozech kategorie LMP1.

„Pokud nic jiného, přesvědčil mě projekt LMP2, že se zatím pouze otíráme o povrch toho, čeho lze s efektivním CFD postupem dosáhnout,“ říká Chosse. „Těším se na to, až zkušenosti nabyté na vozu T128 zúročíme v méně omezeném prostředí při návrhu zcela nového automobilu kategorie LMP1.“

Napsal Stephen Ferguson, přeložil Jan Homola.

Článek vychází ze zdrojů magazínu Dynamics, vydávaného společností CD-adapco.

www.cd-adapco.com

Mohlo by vás také zajímat

Přidejte k článku svůj komentář

Komentář podléhá autorizaci ze strany redakce, proto se nezobrazí ihned po vložení. Vyhrazujeme si právo odstranit příspěvky, které jsou v rozporu s dobrými mravy nebo platnou legislativou. Slušnou a konstruktivní diskusi vítáme!