TAOSE_F1_collin_munoz_borges_mariani-placidi

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TAOSE_F1_collin_munoz_borges_mariani-placidi

  1. 1. Projet TAOSE Conception et fabrication d'une Formule 1 miniaturisée Responsable du projet : Vianney PIRON Etudiants : BORGES Ludovic COLLIN Yvonnick MARIANI PLACIDI Edoardo MUNOZ Anthony 2014-2015
  2. 2. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 2 19/01/2015 1. Table des matières 2. Introduction ............................................................................................................................4 3. Présentation...........................................................................................................................5 3.1. Règlement .......................................................................................................................5 3.2. Périmètre du projet..........................................................................................................7 3.3. Explication de la démarche .............................................................................................8 3.4. Première approche aérodynamique sur Fluent.............................................................10 3.4.1. Présentation Ahmed Body ......................................................................................10 3.4.2. Modélisation............................................................................................................11 3.4.3. Maillage et paramétrage .........................................................................................12 3.4.4. Résultats numériques .............................................................................................13 3.5. Étude du profil des ailerons...........................................................................................14 3.5.1. Profil Clark Y 11,7%................................................................................................14 3.5.2. Profil MH 32 8,7%...................................................................................................17 4. Évolution de la conception ...................................................................................................20 4.1. Modèle A .......................................................................................................................20 4.1.1. Justification et importation de la géométrie ............................................................20 4.1.2. Création du volume d’air.........................................................................................21 4.1.3. Maillage ..................................................................................................................22 4.1.4. Paramétrage de l’analyse .......................................................................................25 4.1.5. Exploitation des résultats........................................................................................27 4.2. Modèle B .......................................................................................................................31 4.2.1. Conception..............................................................................................................31 4.2.2. Simulation sous Star CCM+....................................................................................33 4.2.2.1. Maillage............................................................................................................33 4.2.2.2. Régions et frontières ........................................................................................34 4.2.2.3. Modèles Physiques ..........................................................................................34 4.2.2.4. Rapports et simulation .....................................................................................35 4.2.3. Analyse des résultats..............................................................................................35 4.3. Modèle C .......................................................................................................................38 4.3.1. Conception..............................................................................................................38 4.3.2. Simulation ...............................................................................................................39 4.4. Modèle D .......................................................................................................................39 4.4.1. Création du volume fluide .......................................................................................40 4.4.2. Correction et réparation de la surface ....................................................................41
  3. 3. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 3 19/01/2015 4.4.2.1. Arrête libres......................................................................................................41 4.4.2.2. Arrête avec de trop nombreux contacts ...........................................................41 4.4.2.3. Sommets de contact entre plusieurs surfaces .................................................41 4.4.2.4. Intersection de surfaces ...................................................................................41 4.4.3. Maillage ..................................................................................................................42 4.4.4. Exploitation des résultats........................................................................................42 4.5. Comparatif des quatre modèles ....................................................................................42 5. Fabrication du modèle final..................................................................................................44 5.1. Choix du modèle ...........................................................................................................44 5.2. Réalisation.....................................................................................................................44 5.2.1. Axes des roues .......................................................................................................45 5.2.2. Roues .....................................................................................................................45 5.2.3. Ailerons arrière .......................................................................................................46 5.2.4. Corps ......................................................................................................................47 6. Conclusion ...........................................................................................................................50 7. Bibliographie ........................................................................................................................51 8. Annexe.................................................................................................................................52
  4. 4. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 4 19/01/2015 2. Introduction Dans le cadre du projet TAOSE du cursus de deuxième année aux Arts et Métiers ParisTech d’Angers, notre équipe de travail doit concevoir, étudier et fabriquer une Formule 1 miniaturisée respectant les réglementations de The Formula 1 in School Technology Challenge. C’est un défi multidisciplinaire dont l’objectif est de réaliser une Formule 1 miniaturisée pour gagner une course. L’équipe gagnante de la course est celle qui a une miniature parcourant 20 m de ligne droite en moins de temps possible et en 2013 le temps du gagnant était de 1,003 s. Dans notre cadre de travail, on va se limiter à la préparation d’une miniature pour pouvoir faire des tests en soufflerie. Il s’agit donc d’analyser le règlement en anglais, de concevoir plusieurs modèles de voitures, d’effectuer leur étude aérodynamique et d’en fabriquer une d’entre elles en fonction du temps disponible. Cependant il n’y a aucune participation, car la compétition n’est dédiée qu’aux étudiants de collège et lycée (âge limite de participation est de 19 ans). Ainsi la préparation du véhicule pour les tests en soufflerie se fera grâce à différents outils vus en cours : conception sur CATIA V5, étude aérodynamique sur STAR CCM+ et FLUENT et étude de fabrication.
  5. 5. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 5 19/01/2015 3. Présentation 3.1. Règlement Pour réaliser une Formule 1 miniaturisée, on doit respecter la règlementation de The Formula One In Schools Technology Challenge. C’est pourquoi on a pu télécharger le règlement en anglais sur le site internet : UK Technical Rules & Regulations (2014/2015 Formula 1 Class, Age Group 11-19) à voir en annexe pour plus de détails. Ainsi une Formule 1 miniaturisée est, aux yeux de F1 In Schools, une miniature constituée de différents éléments et propulsée par l’explosion d’un cylindre contenant 8 gr de CO2 comprimés. Les éléments constitutifs sont les suivants :
  6. 6. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 6 19/01/2015 Ainsi on distingue : ● Body : le corps ● CO2 cylinder chamber : chambre pour cylindre de CO2 ● Front wing : aileron avant ● Rear wing : aileron arrière ● Wing support structures : structure de support d’aileron ● Nose cone : le nez en forme conique ● Wheels : les pneus ● Wheel support system : système de support des pneus ● Tether line slot : support pour fil d’attache ● Tether line guides : guide pour fil d’attache ● Surface finishing and decals : traitements de surface et autocollants Remarques : ● Le corps est usiné dans un bloc de Balsa blanc de telles dimensions :
  7. 7. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 7 19/01/2015 ● Toute autre partie de la F1 autre que le corps et les roues peuvent être de matériaux différents que le Balsa blanc. ● Les structures de support d’aileron sont définies comme suit : Tout élément faisant la liaison entre l’aileron et une partie de la F1. 3.2. Périmètre du projet Dans le cadre du projet TAOSE on ne pourra pas participer à la compétition étant donné que la limite d’âge est largement dépassée (19 ans). De plus le temps disponible pour ce projet est 42h maximum ce qui, après évaluation, n’est absolument pas suffisant pour réaliser toutes les étapes nécessaires à la participation c’est-à-dire : ● Étapes administratives de participation ● Études des coûts ● Conception CAO ● Étude aérodynamique ● Étude de Roulement ● Fabrication des pièces (corps et parties interchangeables) ● Logistique de participation (déplacements) ● Présentations écrites pour Jury ● Présentations orales devant Jury ● Étude marketing du stand lors de la compétition Remarque : En vert les étapes qui seront réalisées dans le cadre de notre projet. Cependant vu que notre équipe ne participera pas à la compétition la flexibilité sera majeure en terme d’objectifs et de contraintes. C’est pourquoi on s’est défini les objectifs suivants : ● Objectifs principaux : ○ Concevoir et réaliser la Formule 1 miniaturisée tout en respectant un règlement de participation. ○ Étudier et analyser la résistance aérodynamique d’une Formule 1 miniaturisée. ○ Fabriquer et préparer une maquette pour pouvoir effectuer des tests en soufflerie.
  8. 8. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 8 19/01/2015 ● Objectifs complémentaires (en fonction du temps disponible) : ○ Comparer les résultats numériques (de logiciels de mécanique des fluides) avec les résultats réels (dans une soufflerie). ○ Proposer des solutions permettant une amélioration des performances. ○ Concevoir et réaliser des ailerons interchangeables. ○ Prévoir les phénomènes aérodynamiques à échelle réelle. ○ Apprendre le vocabulaire technique en Anglais 3.3. Explication de la démarche Il faut établir une méthode de travail en procédant étape par étape pour pouvoir réaliser les objectifs qu’on s’est imposés dans le temps imparti. C’est pourquoi on a tout d’abord réalisé un dossier partagé en ligne (Google Drive) organisé en différents fichiers de telle sorte que tous les membres de l’équipe puissent avoir accès aux mêmes documents et fichiers en tout moment et en même temps (exemple : rédaction d’un rapport simultanément ou accès aux modélisations). Voici l’aperçu du dossier PROJET TAOSE – F1 miniaturisée :
  9. 9. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 9 19/01/2015 Ensuite on a rédigé une fiche permettant de répartir les tâches, voir l’état auquel elles sont et voir le temps disponible pour réaliser le projet. Cette fiche est divisée en plusieurs parties: ● Objectifs. ● Étapes du projet : ○ Recherche documentaire ○ Aspect Livrables ○ Aspect Travail (partie conception, partie analyse aérodynamique, partie fabrication) Remarque : Le temps qu’on dispose représente le temps qui nous est dédié dans l’emploi du temps (heures de travail autonome). Il est mis à jour en fin de chaque séance de TAOSE. Un code couleur permet de connaitre l’état d’avancement des taches (Doit être fait, rouge : a la priorité sur tout, orange : est en cours, bleu : est abandonné, vert : est fait) et en Gras les membres de l’équipe. Voici deux extraits de la fiche Qui fait Quoi :
  10. 10. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 10 19/01/2015 Ensuite on a commencé à étudier le règlement pour que chaque membre puisse réaliser la modélisation d’une voiture sur Catia V5. Dans l’idéal on aurait souhaité faire les simulations aérodynamiques sur chaque voiture et en fonction des résultats choisir la plus performante pour la fabrication, cependant pour des raisons de temps insuffisant on a commencé la fabrication en même temps que les simulations et donc la voiture qui a été fabriquée n’était pas la plus performante. 3.4. Première approche aérodynamique sur Fluent 3.4.1. Présentation Ahmed Body Lors de la conception d’un véhicule, il est de plus en plus indispensable d’étudier l’aérodynamisme pour augmenter ses performances, diminuer sa consommation… Les scientifiques cherchent par exemple à diminuer au maximum la turbulence créée par le passage d’un véhicule. Dans ce domaine, Ahmed et Ramm furent des pionniers. Ils ont entre autres montré le lien entre l’angle de pente de l’arrière d’un véhicule et la formation de décollement et donc de tourbillons. Pour réaliser leur étude, ils se sont appuyés sur un modèle simplifié de véhicule appelé le « Ahmed Body ».
  11. 11. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 11 19/01/2015 Afin de prendre connaissance des logiciels de simulation d’aérodynamisme présent dans l’établissement (Ansys FLUENT et Star CCM+), on décide d’étudier l’écoulement de l’air autour du Ahmed Body. En effet, ce véhicule simplement modélisable possède quelques caractéristiques typiques des véhicules et de nombreux résultats expérimentaux sont disponibles dans la littérature. 3.4.2. Modélisation À partir des dimensions du véhicule, on le modélise sur CATIA V5, on obtient le résultat suivant. Il est à noter que le matériau du véhicule n’a pas d’importance sur le reste de la simulation. Toutefois, on souhaite étudier les perturbations de l’air, c’est pourquoi on modélise le fluide à l’aide d’une grande boite (environ 10 fois la longueur du véhicule en longueur et 5 fois en hauteur). On vient ensuite enlever l’empreinte du véhicule dans ce pavé. De plus, afin de diviser par deux les temps de calcul, on ne modélise que la moitié du véhicule, car on fait l’hypothèse que l’écoulement autour de la voiture est symétrique.
  12. 12. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 12 19/01/2015 3.4.3. Maillage et paramétrage On vient ensuite mailler le volume représentant le fluide. L’idée est de trouver le juste milieu entre résultat de simulation fiable et temps de simulation raisonnable. Pour cela on prend une taille d’élément assez grande pour les zones situées loin du véhicule et plus on se rapproche plus les éléments seront petits. Cependant, la licence éducative disponible à l’école ne permet pas de réaliser des simulations avec plus de 512000 éléments. On ne peut donc pas affiner suffisamment le maillage pour obtenir un résultat très fiable. On a choisi de réaliser l’étude pour un angle de 25° à l’arrière du véhicule, le fluide se déplace à 20 m/s (équivalent à la vitesse maximale de la mini formule1) et percute en premier la partie arrondie du Ahmed Body.
  13. 13. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 13 19/01/2015 3.4.4. Résultats numériques Dans un premier temps, on peut observer la répartition de la vitesse dans le plan de symétrie du véhicule. On remarque que le point au centre de l’avant du véhicule est un point d’arrêt. De même, à l’arrière du véhicule, on observe une zone de vitesses lentes voir nulles dans le prolongement de l’angle arrière. Le premier point d’arrêt est justifié par le fait que l’écoulement est arrêté par l’obstacle avant d’être contraint de le contourner d’où l’accélération qu’on peut noter dans les angles arrondis à l’avant. En effet, les deux zones arrondies à l’avant de la voiture et l’arête arrière sont des zones de fortes vitesses. L’angle de 25° est suffisamment petit pour qu’il n’y ait pas de décollement le long de la surface inclinée. Vmin = 0 m/s Vmax = 105 m/s Par l’effet Venturi, on retrouve une répartition inverse des pressions relatives à savoir une surpression à l’avant et des dépressions dans les parties anguleuses. Le reste du corps est globalement en dépression. Ces pressions et dépressions sont fortes puisqu’on enregistre des points sur la surface du Ahmed Body à -3500 Pa et d’autres à 2600 Pa. Cependant, on ne remarque pas de surpression à l’arrière du véhicule dans son sillage. Les performances du véhicule sont donc fortement diminuées à cause de son manque d’aérodynamisme. En effet, avec une surpression à l’avant et une dépression à l’arrière,
  14. 14. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 14 19/01/2015 3.5. Étude du profil des ailerons La méthode pour choisir un profil est la suivante, il faut obtenir un compromis entre : • La maximisation du Cz ou minimisation du Cx, finesse max • La plage de Re • La longueur de corde, épaisseur et courbure. Pour notre problème, nous cherchons une maximisation du Cz et une finesse assez importante. Le modèle est propulsé par la chambre à air comprimé et on considère qu'il est linéairement accéléré. Les meilleures voitures pour cette compétition parcourent les 20 m en 1 seconde environ. Pour notre étude, nous prenons une vitesse de 20m/s. 3.5.1. Profil Clark Y 11,7% Dans un premier temps, nous avons procédé à une étude de l'existant à partir d'une base de données très complète mise à disposition en ligne, sur le site internet http://airfoiltools.com/. Ce site permet de comparer les profils les uns par rapport aux autres à plusieurs niveaux. En effet, on peut comparer la géométrie de chaque profil, mais aussi différentes données théoriques comme le coefficient de portance en fonction de l'angle d'incidence. En sachant que les ailerons doivent mesurer entre 15 et 25mm de longueur de corde avec une épaisseur comprise entre 1,5mm et 6mm, il est possible de faire un préchoix au niveau de l'épaisseur du profil : l'épaisseur doit être comprise entre 6% et 40%. La comparaison des profils se déroulait de la façon suivante : • Choix de quelques modèles de profil par famille : NACA (4, 5, 6, 7 digits), Joukowki, Tsagi, Clark ... ; • Comparaison de ces modèles par famille pour répondre à nos priorités ; • Comparaison par rapport à un modèle précédemment choisi. Si le nouveau profil semble meilleur au vu de ses courbes des différents coefficients, on le garde pour les comparaisons suivantes. Cette méthode n'est pas parfaite, mais permet d'avoir un profil intéressant assez rapidement. Dans notre cas, nous avons obtenu le profil Clark Y 11,7%. De plus, ce profil a l'avantage d'être assez simple dans sa réalisation, alors pour le fabriquer, nous n'aurons pas trop de problèmes. Toutes les remarques et toutes les courbes tracées dans la partie suivante sont adaptées pour un avion, il faut donc opposer le coefficient de portance et l'angle d'incidence, ainsi que la finesse. Les différents coefficients sont représentés ci-dessous. Les différentes courbes correspondent à différents nombres de Reynolds (bleu pour 50 000, jaune pour 100 000, vert pour 200 000). Cl est le coefficient de portance, Cd le coefficient de trainée, Cm le coefficient de moment, alpha l'angle d'incidence.
  15. 15. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 15 19/01/2015 Nous pouvons observer que le coefficient de portance est très important pour ce profil lorsque l'angle d'incidence est important, même à faible nombre de Reynolds. En effet, le coefficient de portance est "constant" pour un Reynolds compris entre 50000 et 200000 pour un angle d'incidence compris entre 9 et 12 degrés. À faible nombre de Reynolds, la trainée de ce profil est malheureusement très importante, surtout entre pour des angles inférieurs à 8,5 degrés et supérieurs à une dizaine de degrés.
  16. 16. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 16 19/01/2015 Le coefficient de moment devient nul aux environs du décrochage : pour un angle d'incidence d'une quinzaine de degrés. La finesse maximale est également fonction du nombre de Reynolds (en rapportant à la même surface) : Nombre de Reynolds Finesse maximale Incidence pour la finesse maximale 50000 30 10° 100000 52,5 7° 200000 74,4 4,5° Ce profil d'aile est particulièrement intéressant pour un angle d'incidence donné : 10°. Alors, pour notre modèle, le profil opposé est intéressant avec un angle d'incidence de -10°.
  17. 17. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 17 19/01/2015 D'après les conseils de M. Pichereau, pour les ailerons d'une petite voiture avec un nombre de Reynolds qui n'est pas extrêmement élevé, d'autres profils sont plus adaptés aux ailerons de formule 1. Par exemple, les profils de Martin Hepperle, et notamment le MH32. 3.5.2. Profil MH 32 8,7% Ce profil a une épaisseur de 8,7% à 30% de la corde. Les courbes suivantes sont issues du site http://airfoiltools.com/ . Les différents coefficients sont représentés ci-dessous. Les différentes courbes correspondent à différents nombres de Reynolds (bleu pour 50 000, jaune pour 100 000, vert pour 200 000). Cl est le coefficient de portance, Cd le coefficient de trainée, Cm le coefficient de moment, alpha l'angle d'incidence. Comme pour le premier profil, les courbes sont adaptées aux "avions", il faut donc opposer le coefficient de portance, l'angle d'incidence et la finesse. Le coefficient de portance de ce profil a un maximum inférieur au Clark Y en valeur maximale. Par contre, quel que soit le nombre de Reynolds, pour un angle d'incidence entre 5,5° et 9°, le coefficient de portance est constant. Cette remarque est intéressante, car elle permet d'avoir un comportement stable de la voiture.
  18. 18. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 18 19/01/2015 Le coefficient de trainée quant à lui varie suivant le nombre de Reynolds. Par contre, pour un angle d'incidence compris entre 5,5 et 8°, le coefficient de trainée est plus faible que pour le profil Clark Y. Comme pour le coefficient de portance, pour un angle d'incidence compris entre 6° et 11°, le coefficient de moment ne varie pas en fonction du nombre de Reynolds.
  19. 19. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 19 19/01/2015 La finesse maximale est également fonction du nombre de Reynolds (en rapportant à la même surface) : Nombre de Reynolds Finesse maximale Incidence pour la finesse maximale 50000 35,2 6,25° 100000 53,9 5,5° 200000 72,3 4,75° Ce profil d'aile est particulièrement intéressant pour un angle d'incidence donné : 6°. Alors, pour notre modèle, le profil opposé est intéressant avec un angle d'incidence de -6°. Ce profil a une finesse globalement identique à celle du Clark Y, mais l'incidence pour la finesse maximale en fonction du nombre de Reynolds est presque constante avec le MH32 : entre 4,75° et 6°. Une prochaine amélioration pour cette formule 1 serait de changer le profil d'aile en MH32. Une autre possibilité d'amélioration est l'ajout d'un second aileron pour contenir l'aile sous le profil et atteindre un coefficient de portance pour l'aileron pouvant aller jusqu'à une valeur de 3. Il est également possible d'effectuer une simulation inversée en fixant les paramètres à atteindre.
  20. 20. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 20 19/01/2015 4. Évolution de la conception 4.1. Modèle A 4.1.1. Justification et importation de la géométrie Une formule 1 miniature a été réalisée avec le logiciel de modélisation 3D CATIA. Elle possède une forme assez simple permettant de respecter le règlement imposé par le concours. Toutefois, dans un souci d’aérodynamisme, le réservoir à gaz est prolongé par une pente à la fois tangente avec le haut du réservoir et la surface basse de la voiture. On espère ainsi diminuer le coefficient de trainée. De plus, afin de diminuer la portance et même obtenir une déportance, on arrondit le dessous de la formule 1. En effet, cette méthode employée en formule1 permet de créer une zone de faible pression en dessous de la voiture par l’accélération du flux d’air. Avant d’exporter cette modélisation au format Step pour l’importer sur ANSYS, il convient de simplifier le modèle. En effet, les différents détails esthétiques comme les congés doivent être enlevés. Ils n’influencent que très peu l’aérodynamisme du véhicule, mais compliquent énormément la résolution des calculs. De même, on retire les axes des roues. On obtient alors un modèle « simple » qu’on exporte au format .stp. On souhaite réaliser une étude fluide à partir du module FLUENT d’ANSYS. On lance un nouveau projet et on sélectionne le système d’analyse correspondant. Enfin, on importe le modèle de la voiture.
  21. 21. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 21 19/01/2015 4.1.2. Création du volume d’air Pour la résolution du problème, on ne s’intéresse qu’au volume d’air qui entoure la voiture. Il est donc primordial de bien le choisir. Si le volume est trop petit, on perd de l’information sur l’écoulement aux abords de la voiture. Plus grave, on risque de dégrader les résultats en introduisant des effets de bord. À l’inverse, si le volume est trop grand, la résolution demandera un temps de calcul plus important et inutile. Afin de déterminer le volume d’air nécessaire, la méthode consiste à réaliser une première simulation avec un volume très important et un maillage plutôt grossier. On observe les résultats et s’il y a oui ou non établissement d’un régime permanent. On diminue alors le volume et on réitère l’opération jusqu’à avoir un volume minimum. Afin de gagner du temps et après consultation de notre professeur de mécanique des fluides, on décide d’appliquer le modèle suivant qui est généralement celui qu’on retient : Le problème étant symétrique, on ne modélise que la moitié du volume d’air afin de diviser le temps de calcul par deux. De plus, sous la voiture, le volume d’air doit être tangent aux roues pour simuler une route. À l’aide d’une opération booléenne, on retire le volume de la voiture au volume d’air. On obtient le résultat suivant : 5H 5L 10L 10l
  22. 22. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 22 19/01/2015 4.1.3. Maillage La qualité d’un maillage dépend de trois paramètres : rapide convergence, faible temps de calcul et grande précision de la solution. La solution est d’autant plus précise que les éléments de maillage sont nombreux et adaptés. Cependant, plus le nombre d’éléments est important, plus le temps de calcul l’est. Il convient donc de trouver un juste équilibre afin de mesurer toutes les propriétés de l’écoulement sans pour autant mesurer de détails inutiles. On commence par choisir des éléments de type tétraédrique. Ces mailles structurées ont l’avantage d’être économiques en nombre d’éléments. Ensuite, on sélectionne Proximity and Curvature dans l’onglet Advanced Size Functiondu dimensionnement du maillage.Proximity permet de régler le nombre d’éléments entre deux surfaces. Curvature permet d’approximer une surface incurvée par un certain nombre d’arêtes avec des angles définis. La combinaison des deux permet de réaliser automatiquement un maillage permettant de résoudre de brusque variation de flux au niveau au niveau de courbures ou entre deux surfaces rapprochées. Cependant, cette option allonge le temps de maillage et peut entrainer un nombre d’éléments très important aux apports de certaines surfaces. Ensuite, on règle le Growth Rate à 1.10 de manière à limiter l’expansion de la dimension des éléments pour garder des résultats fiables aux abords du véhicule. La pertinence du maillage est réglée sur 80 afin d’affiner le maillage en permettant une ramification globale du maillage. Les zones de la surface du véhicule qui pourraient présenter des zones d’arrêt ou d’accélération de flux d’air doivent être maillées avec plus de précision afin de trouver des résultats corrects. On insère donc des dimensionnements dans le maillage pour les deux roues, le nez de la voiture, la pente de la chambre de propulsion et les coins d’attaque. Pour toutes ces surfaces, on impose des éléments de 2mm maximum. De plus, afin de réaliser des transitions lentes entre les différents maillages, on règle l’onglet Behavior sur Soft.
  23. 23. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 23 19/01/2015 L’image ci-dessus est extraite du document « Best practice guidelines for handling AutomotiveExternalAerodynamicswith FLUENT » de Marco Lanfrit. Cette publication donne des indications permettant de mailler correctement les simulations d’écoulement autour de véhicules. L’image présente l’évolution de la longueur de référence des éléments de maillage en fonction de la vitesse d’écoulement du fluide. Si on souhaite une qualité de maillage comprise entre « fine » et « medium » à une vitesse de 20 m/s, la longueur de référence minimum pour une vitesse de 20m/s est de 5-6mm. Le dimensionnement des éléments de maillage en contact avec la voiture est donc bon. Cependant, les éléments distants de la voiture sont trop grands. Ce choix est volontaire, en effet, on pourrait régler la taille maximale des éléments, mais le nombre d’éléments serait trop important vis-à-vis de la licence éducative que possède l’école qui limite le nombre d’éléments à 512000. Une fois le maillage terminé, les statistiques de maillage indiquent 508689 éléments. On ne peut donc pas affiner davantage le maillage. Près des surfaces du véhicule et à cause de la couche limite, le flux est tangent à la voiture. Dans ces conditions, les éléments en couches permettent un bon alignement avec la direction de l’écoulement de l’air et la qualité du maillage en est améliorée. FLUENT utilise le logiciel TGrid3 pour créer des prismes de taille adaptée à la base des triangles des prismes avec lesquels ils sont en contact. On met donc en place un maillage prismatique aux abords des surfaces. Pour cela, on choisit FirstAspectRatio dans InflationOption. Dans le document « Best practice guidelines for handling AutomotiveExternalAerodynamicswith FLUENT » de Marco Lanfrit, on peut lire que pour avoir une transition douce et éviter les gradients de dimension entre les éléments prismatiques et tétraédriques, il faut régler firstaspectratio sur 5 et le growthrate à 20%. On obtient le résultat ci-dessous où on remarque bien qu’aux abords des surfaces du véhicule et au niveau de la route, les éléments possèdent une face quadrilatérale.
  24. 24. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 24 19/01/2015 Pour éviter une trop rapide expansion de la taille des éléments aux alentours du véhicule et donc une perte d’information, on crée un volume d’influence dans le module de géométrie. On insert ensuite un dimensionnement dans le maillage et on sélectionne Body of Influence. On choisit alors le volume créé et on choisit une longueur de 5mm afin de rester dans les limites données par le graphique précédent pour un écoulement à 20m/s. On génère un nouveau maillage et on obtient le maillage final donné ci-dessous. Enfin, on donne un nom à chacune des faces du volume d’air (symmetry, velocity-inlet, pressure- outlet, road, symmetry-top et symmetry-size) ainsi qu’à l’ensemble des faces du véhicule (formule1). Cette étape permettra de gagner du temps lors de la programmation de la simulation. En effet, le module FLUENT reconnaitra automatiquement la route, le plan de symétrie et les faces d’arrivée et de sortie du flux d’air. On peut donc ouvrir le module FLUENT d’ANSYS pour paramétrer l’écoulement et lancer la résolution du problème.
  25. 25. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 25 19/01/2015 4.1.4. Paramétrage de l’analyse On considère l’air comme un gaz parfait. La célérité du son est donnée par la formule suivante : L’écoulement se fait à pression ambiante (101325 Pa) et l’air a un coefficient de compressibilité de 1,4 et une masse volumique de 1.2kg/m3 . La célérité du son vaut donc environ 344 m/s. Les voitures les plus rapides de la compétition parcourent les 20m de course en 1.003s. Cela fait une vitesse moyenne de 19.9 m/s. On décide de réaliser les simulations pour une vitesse de 20 m/s. On calcule alors le nombre de Mach donné par la formule suivante : On trouve Ma = 0,06. Le nombre de Mach est inférieur à 0,3 le fluide peut donc être considéré incompressible. On cherche à déterminer la nature de l’écoulement. Pour cela, on calcule le nombre de Reynolds donné par la formule suivante : La viscosité cinématique de l’air est de 15,6×10-6 (à 25°C), on trouve un nombre Reynolds environ égal à 218000. On en déduit que l’écoulement est turbulent. On lance un solveur de type Pressure-Based. En effet, l’écoulement est supposé incompressible, la densité est donc une constante et la grandeur inconnue est la pression. On remarque que le logiciel reconnait les différentes faces du volume d’air comme étant l’entrée ou la sortie du flux d’air (bleu et rouge), la route (blanc) et les plans de symétrie (jaune). Symmetry Formule1Velocity-inlet Pressure- outlet Symmetry- side Symmetry-top
  26. 26. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 26 19/01/2015 Pour paramétrer le fluide, on choisit le modèle k-epsilon. Ce modèle est le plus communément utilisé pour caractériser des problèmes de mécanique de fluides turbulents. Il se concentre sur les mécanismes qui affectent l'énergie cinétique turbulente. L'hypothèse sous- jacente de ce modèle est que la viscosité turbulente est isotrope. On attribue le matériau bois à l’ensemble des surfaces Formule1 et on vérifie que l’ensemble du volume d’air est détecté en tant que fluide. On lui donne les valeurs normales de densité (1.225 kg/m3 ) et de viscosité (1,7894.10-5 kg/m.s). Enfin, on règle la pression atmosphérique à 101325 Pa et on désactive la gravité qui est négligeable dans ce problème. On paramètre les conditions aux frontières. On définit la formule1 comme étant un « stationarywall » sans glissement. Concernant les faces velocity-inlet etpressure-outlet, la méthode de spécification de la turbulence est réglée sur « Intensity and Viscosity Ratio ». En effet, l’aide d’Ansys (section InletBoudary Conditions) indique que parmi les quatre options disponibles, celle-ci est principalement utilisée pour des flux externes. De plus elle conseille de sélectionner une intensité de turbulence de refoulement de 1 à 5% et un rapport de viscosité turbulente de refoulement de 1 à 10. On choisit 1% pour la face d’entrée et 5%pour la face de sortie puisqu’au passage de l’obstacle, l’air va gagner en turbulence. On sélectionne 10 pour le second coefficient.Ensuite, on indique que la vitesse de l’air vaut 20 m/s et est dirigée selon –x. On paramètre les valeurs de référence telles que la température extérieure (20°C) et la surface frontale du véhicule. Pour calculer ce dernier on utilise le solveur « Projected Areas » intégré dans FLUENT. On trouve une surface projetée de 9,796 cm². On choisit la méthode de résolution permettant de déterminer l’évolution de la pression et de la vitesse d’écoulement. On a le choix entre une méthode Simple et Coupled. L'algorithme Simple utilise une relation entre les corrections de vitesse et de pression pour respecter la conservation de la masse et pour obtenir le champ de pression. L’algorithme Coupled résout les équations de continuité de quantité de mouvement (en rapport avec la vitesse d’écoulement) et de pression ensemble. Il est plus performant (moins de temps consacré à chaque itération) et plus adapté pour la simulation de flux avec une faible qualité de maillage. Cependant, il n’est pas toujours applicable, notamment dans le cas de résolution de modèles multiphasés Eulériens. On choisit donc l’algorithme Coupled. Dans le cas d’une simulation rapide pour vérifier la convergence des résultats, on sélectionne First OrderUpwind pour Momentum, Turbulent KineticEnergy et Turbulent Dissipation Rate. Cependant pour obtenir des résultats de meilleure qualité, on choisit Second OrderUpwind.
  27. 27. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 27 19/01/2015 Dans la section Solution Controls, l’aide d’Ansys recommande un coefficient de 50 pour Flow Courant Number. Ensuite, on crée différents écrans de contrôle donnant les résidus (permettant de vérifier l’avancée de la solution) et les coefficients de trainée, de portance et de moment (orienté selon la largeur de la voiture) de la formule1. À chaque itération on inscrit ces coefficients dans des fichiers .txt pour pouvoir tracer des courbes de convergence par la suite. Enfin, on lance une initialisation Hybrid. En effet, cette option prend en compte la distribution de la pression et de la vitesse autour du véhiculedès la première itération. On lance alors les calculs pour 500 itérations. 4.1.5. Exploitation des résultats On observe dans un premier temps la répartition de la pression autour du véhicule dans son plan de symétrie. On remarque tout d’abord deux zones de surpression. En effet, la pointe du nez de la formule1 est une zone d’arrêt, l’air s’y accumule et fait s’élever la pression de 226 Pa (hors échelle sur la figure ci-dessous) créant une force s’opposant au déplacement du véhicule. De même la pente est une zone de ralentissement et donc d’augmentation de la pression (jusqu’à 120 Pa) qui crée une déportance. À l’inverse les zones situées juste au- dessus et au-dessous de la pointe du nez sont des zones de dépression (-75 Pa au maximum au-dessus et jusqu’à -200 Pa au-dessous). La zone située sous le nez est donc intéressante vis-à-vis de la déportance, mais elle a une surface très réduite et le brusque écart de pression risque de créer de fortes perturbations augmentant la trainée. Ensuite, au niveau de la fin de la pente on observe la plus importante zone de dépression puisque la pression diminue de 115 Pa sur une surface assez importante. Enfin, la forme arrondie dessous la formule1 remplit son rôle puisqu’on voit apparaitre une zone de faible dépression (de -30 à -50 Pa) du milieu jusqu’à l’arrière du véhicule.On peut imaginer, comme il sera vérifié par la suite, que dans l’ensemble, le véhicule bénéficie d’une déportance qui le plaque au sol. On observe maintenant la répartition de la vitesse du flux d’air. On remarque la corrélation permanente entre la diminution de la pression et l’augmentation du flux d’air qui est expliquée par l’effet Venturi. Ainsi on peut remarquer que la vitesse augmente jusqu’à 23,5 m/s et sur une zone assez étendue à la fin de la pente. C’est un des points à corriger pour améliorer la formule1. Enfin, une grande zone de vitesses faibles à nulles est visible à l’arrière du véhicule, dans la prolongation de la surface arrière, formant une queue. On mesure que sur l’équivalent de deux fois la longueur de la voiture, le flux d’air est fortement ralenti.
  28. 28. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 28 19/01/2015 La forte chute de vitesse à l’arrière du véhicule n’est pas corrélée avec une hausse de la pression. Au contraire, une faible dépression à l’arrière ralentit la voiture. En fait, et comme on peut l’observer sur les images ci-dessous, il y a formation de tourbillons dans le sillage de la formule1. Le dessous arrondi entraine un flux d’air ascendant et les deux côtés impliquent deux flux d’air symétriques se rapprochant du plan de symétrie du véhicule. La rencontre de ces trois flux crée deux vortex. Lorsqu’on regarde la voiture du nez vers l’arrière, le vortex de gauche tourne dans le sens antihoraire et le droit dans le sens horaire. Les turbulences mettent beaucoup de temps à s’atténuer et ont tendance à affecter une section de plus en plus importante comme on peut le voir à l’arrière de la voiture en jaune sur l’image ci-dessus. Pour corriger le problème, il faudrait donner au flux de dessus une direction descendante en bombant par exemple le dessus de la chambre de propulsion.
  29. 29. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 29 19/01/2015 Afin de pouvoir comparer cette formule 1 aux autres modèles, on détermine les coefficients de trainée et de portance. Sur les deux graphiques ci-dessous, on remarque que le coefficient de trainée de la voiture converge vers 0,38 et celui de la portance vers -0,26. On en conclut donc que la voiture subit une déportance qui devrait lui permettre de maintenir le contact entre les roues et la route. Cependant, le coefficient de trainée est assez élevé puisqu’il est du même ordre de grandeur que celui d’un véhicule de tourisme. Toutefois, la surface frontale de la formule1 est très faible, on obtient donc un SCx de 3,72 cm² contre 0,65 m² en moyenne pour une voiture type citadine. -0,40 -0,35 -0,30 -0,25 -0,20 -0,15 -0,10 -0,05 0,00 0 100 200 300 400 500 Coefficientdetrainée Nombre d'itérations Coefficient de trainée
  30. 30. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 30 19/01/2015 -0,40 -0,35 -0,30 -0,25 -0,20 -0,15 -0,10 -0,05 0,00 0 100 200 300 400 500 Coefficient de portance
  31. 31. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 31 19/01/2015 4.2. Modèle B 4.2.1. Conception Figure 1 - Modèle B Lors de la conception de ce modèle de Formule 1 miniature, l’objectif était de réduire au minimum son aire frontale. En effet, pour améliorer les performances du véhicule, il faut minimiser le produit entre la surface frontale et le coefficient de traînée (SCx). Ainsi, l’épaisseur de bois entourant la chambre cylindrique destinée à accueillir le système de propulsion a été réduite au minimum. C’est-à-dire à une épaisseur de 3,5 mm comme le stipule le règlement. Figure 2 - Conception de la chambre de propulsion
  32. 32. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 32 19/01/2015 Pour faire en sorte que le volume que l’on est en train de créer ait une bonne pénétration dans l’air, on effile le profil de manière à lui donner une forme courbe se terminant en pointe (comme certains missiles). Afin de fixer la chambre de propulsion au corps de la voiture, on cherche à réaliser une forme profilée. Il faut que le support soit suffisamment résistant, pour encaisser les efforts dus à la propulsion, tout en essayant de limiter sa surface frontale, pour minimiser sa résistance à l’écoulement de l’air. On choisit donc le profil suivant qu’on a identifié dans la littérature comme étant l’un des plus aérodynamiques. Figure 3 – Profil du support de la chambre Pour terminer la voiture, on a choisi d’utiliser le minimum de matière. Les autres critères étant toujours de limiter la surface frontale et la résistance à l’écoulement de l’air. Ainsi, on retrouve une forme similaire à celle du premier modèle réalisé. Le corps de la voiture est placé au plus proche du sol et le fond plat se relève à l’arrière afin de créer une dépression locale. En effet la surface sous la voiture augmente, la pression de l’air diminue et le véhicule est plaqué au sol. Dimensions finales du modèle : L l H 180 mm 60 mm 55 mm Le volume de la voiture est de 1,82.10-4 m3 ce qui donne, pour une masse volumique du balsa de 140 kg/m3, une masse de 26g. En fonction du poids des axes et des roulements des trains avant et arrière, il faudra peut-être lester la voiture pour respecter le règlement (52 grammes au minimum). L l H
  33. 33. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 33 19/01/2015 Une fois la CAO terminée, on exporte la voiture au format .step afin de pouvoir l’importer sur STAR CCM+. La simulation réalisée à l’aide de ce logiciel permettra d’avoir une idée des performances du modèle. 4.2.2. Simulation sous Star CCM+ Les principes fondamentaux des simulations numériques ont été détaillés lors de la première étude réalisée sous Ansys Fluent. Ils restent identiques avec le logiciel Star CCM +. On détaillera dans cette partie comment la simulation a été paramétrée. 4.2.2.1. Maillage Pour réaliser le maillage, on utilise les paramètres suivants : • Surface remesher : permet d’améliorer le maillage autour des surfaces • Prism layer mesher : permet d’avoir un maillage plus précis au niveau des parois afin d’observer la couche limite • Trimmer : mailles rectangulaires Puis on fixe la taille de base des mailles à 2mm. Le logiciel utilise cette donnée comme référence pour choisir les tailles de mailles minimum (0,2mm) et maximum (40mm). Avec ces premiers réglages, on obtient un maillage de 849 618 cellules. Les simulations précédentes ont montré que certaines zones doivent être maillées plus précisément pour mieux observer les phénomènes qui s’y produisent. On crée donc des volumes de contrôles à l’intérieur desquels on impose un maillage plus précis.
  34. 34. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 34 19/01/2015 Le volume à l’arrière du véhicule sert à mettre en évidence les phénomènes de turbulence dans le sillage de la voiture. À l’avant, on souhaite observer comment l’écoulement se comporte lorsqu’il rencontre le nez de la F1 miniature. On termine par un volume qui entoure le corps de la voiture et un autre qui délimite l’espace sous le véhicule. Le nouveau maillage comprend maintenant 2 858 579 cellules. 4.2.2.2. Régions et frontières On nomme les différentes parois de notre domaine de la façon suivante : On définit les types de frontières : • inlet : velocity inlet, entrée de l’écoulement à 20m/s • outlet : pressure outlet, signifie qu’au loin la pression redevient égale à la pression atmosphérique • sym1 : symetry plane, on étudie l’écoulement sur une demi-voiture, ce paramètre sert à spécifier que l’écoulement est symétrique de chaque côté de cette paroi • sym2 et ground : wall, ce sont des murs que l’on déplace à la même vitesse que l’écoulement pour éviter qu’ils ne perturbent l’écoulement On définit également des repères locaux au niveau des roues de la voiture afin d’indiquer au logiciel que ce sont des éléments en mouvement de rotation. 4.2.2.3. Modèles Physiques Pour définir notre modèle, on utilise les paramètres : • Gradients • Three dimensional • Steady • Gas inlet outlet sym1 sym2 ground
  35. 35. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 35 19/01/2015 • Segregated flow • Constante density • Turbulence • K-epsilon 4.2.2.4. Rapports et simulation On crée des rapports permettant de déterminer l’aire frontale suivant X et suivant Z : Aire frontale suivant Z = 4,38.10-3 m2 Aire frontale suivant X = 9,71.10-4 m2 On les utilise pour paramétrer de nouveaux rapports : « Cx » et « Cz » qui permettront de suivre l’évolution des coefficients de traînée et de portance au fur et à mesure des itérations. On constate que les résidus deviennent quasiment constants à partir de l’itération numéro 380. On décide donc d’arrêter la simulation vers 450 itérations. 4.2.3. Analyse des résultats Les rapports programmés indiquent : Cx 0,52 Cz 0,156 X (N) 0,138
  36. 36. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 36 19/01/2015 Y (N) 0,196 Le coefficient de traînée est plutôt élevé comparé à celui de certaines voitures (environ 0,3 pour une voiture de série). Cependant, le principal problème réside dans le fait que l’on a une portance positive. Comme pour les voitures de Formule 1, on cherche à avoir une portance négative pour éviter les risques que la voiture décolle. Lorsque l’on observe la pression de l’air dans le plan ZX, on remarque que la dépression créée sous la voiture par le fond plat est très restreinte. De plus, contrairement au modèle observé précédemment, le flux d’air n’est pas exploité pour venir appuyer sur la partie supérieure du corps de la voiture et la plaquer au sol. Enfin, la surpression au niveau du nez du véhicule combiné à la dépression à l’arrière pourrait avoir tendant à faire basculer la voiture vers l’arrière. Aucun élément n’a été prévu pour guider le flux d’air au-dessus des roues de la voiture. Ainsi ces derniers subissent de fortes pressions et, globalement, il est possible que cela dégrade le coefficient de traînée du véhicule. Le support de la chambre encaisse lui aussi un important effort, ce qui signifie que sa forme n’est pas suffisamment optimisée pour réduire sa résistance à l’écoulement.
  37. 37. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 37 19/01/2015 Dans le sillage de la voiture, on observe une perturbation de trois à quatre fois la longueur de la voiture. Comme pour le premier modèle étudié, il faudrait penser à utiliser un élément aérodynamique destiné à plaquer le flux derrière le véhicule.
  38. 38. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 38 19/01/2015 4.3. Modèle C 4.3.1. Conception La conception de ce modèle de F1 miniaturisée a été faite dans le but d’approcher au mieux les formes aérodynamiques de la voiture de l’équipe Autolaunch Racing, équipe gagnante de la compétition de 2014 (cf. images ci-dessous). Ce modèle, au contraire des modèles précédents, s’adapte mieux au règlement en raison de la présence des ailerons arrière et avant exigés. Voici un aperçu des cotations fonctionnelles adoptées pour ce modèle.
  39. 39. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 39 19/01/2015 4.3.2. Simulation Malheureusement, une fois la voiture importée sur star ccm+ et les paramètres de calculs définis, le logiciel n’arrivait pas à lancer le calcul et on n’a donc pas de résultats de simulation sur ce modèle. Mais cela n’est pas extrêmement important, car cela aurait été un plus dans la mesure où on a déjà trois modèles bien différents et que les objectifs imposés par le projet sont largement réalisés. 4.4. Modèle D À partir du modèle précédent, nous avons réalisé tenter d'améliorer la déportance tout en diminuant la trainée. Pour cela, nous avons surtout travaillé sur les ailerons avant et arrière, la jonction entre les roues avant et arrière ainsi que la minimisation de l'épaisseur de la voiture tout en respectant la contrainte du "corps virtuel" présent dans la voiture.
  40. 40. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 40 19/01/2015 Pour ce modèle, nous avons décidé également d'essayer de minimiser la masse du véhicule, c'est pourquoi la partie inférieure est plus fine (flèche rouge) au milieu du véhicule et il n'y a pas de diffuseur sous le véhicule. Ainsi, après les simulations sur ce modèle, nous avons prévu d'améliorer la partie inférieure du véhicule dans la prochaine version de la formule 1. Pour réaliser les améliorations des ailerons, nous avons étudié leur profil. 4.4.1. Création du volume fluide Le modèle est simplifié pour limiter le temps de calcul, sur le logiciel Star CCM+ 9. Pour résoudre notre problème, on ne s'intéresse qu'au volume d'air entourant la voiture. Ainsi, comme expliqué dans les simulations précédentes, le volume doit être important. Pour cette simulation, les proportions sont les mêmes que dans les précédentes : • 10 Longueurs derrière le véhicule; • 5 longueurs devant ; • 5 hauteurs au-dessus ; • 10 largeurs sur le côté. La symétrie du problème implique une symétrie de la modélisation. Le volume du véhicule est retiré du volume d'air.
  41. 41. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 41 19/01/2015 4.4.2. Correction et réparation de la surface Au vu de la complexité de la surface et notamment au niveau de l'avant du véhicule et du plan de symétrie, l'opération booléenne de soustraction du véhicule dans l'air présente des anomalies. Par exemple, les surfaces se rebroussent et le véhicule n'est pas correctement refermé. Pour résoudre ce problème, nous avons suivi un tutoriel explicatif directement fourni par l'éditeur du logiciel (Cd-Adapco). En effet, par l'opération booléenne de soustraction, il faut que les deux volumes ne soient pas tangents. 4.4.2.1. Arrête libres Toutes les arêtes doivent être en contact avec deux surfaces. Pour régler ce problème, on peut créer des surfaces par "remplissage" entre un contour fermé d'arrêtes. 4.4.2.2. Arrête avec de trop nombreux contacts Pour régler ce problème, il vaut mieux sélectionner les surfaces adjacentes et supprimer les surfaces liées à cette arête. Il faudra ensuite peut-être remplir les arêtes libres. 4.4.2.3. Sommets de contact entre plusieurs surfaces Il faut sélectionner les surfaces adjacentes à ce sommet et les supprimer. Ensuite, un remplissage des arêtes libres est nécessaire. 4.4.2.4. Intersection de surfaces Pour éviter ce problème, la solution la plus simple consiste à "assembler" les volumes directement dans la CAO. Les surfaces seront alors automatiquement découpées.
  42. 42. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 42 19/01/2015 4.4.3. Maillage Le maillage est identique au précédent. 4.4.4. Exploitation des résultats Les résultats de l'analyse ne sont pas parfaits dû au manque d'itérations de calculs. Pour ce modèle, seules 150 itérations ont été possibles à cause de l'heure de fermeture de l'école et de l'indisponibilité des salles disposant de Star CCM+. Les résultats obtenus sont les suivants : Coefficient de trainée 0,631 Trainée (N) 0,169 Coefficient de portance -0,130 Portance (N) -0,163 4.5. Comparatif des quatre modèles Le but de ce projet est de réussir à concevoir un véhicule permettant de parcourir les 20m de la piste le plus rapidement possible. Les trois simulations réalisées confrontent différentes solutions techniques pour améliorer l’aérodynamisme. On compare donc les trois modèles pour déterminer la voiture la plus performante, mais aussi les points à conserver ou à oublier dans l’idée de concevoir un dernier véhicule rassemblant l’ensemble des solutions fonctionnelles. Faute de temps, ce dernier véhicule n’a pas pu être conçu. Tout d’abord, on compare les différents coefficients des véhicules rappelés dans le tableau ci-dessous. On remarque que le modèle A a le plus petit coefficient de trainée. Néanmoins il est plus intéressant de comparer le SCx. Le modèle A ayant la surface projetée la plus faible, c’est encore lui qui a le meilleur SCx. Ce serait donc le véhicule qui perdrait le moins de vitesse sur l’ensemble de la course (sans considérer les pertes par frottement avec le sol et dans les roulements). Le modèle D semble aérodynamique, cependant les ailerons, destinés à augmenter la déportance, augmentent considérablement le coefficient de trainée. On remarque cependant que les ailerons assurent leur fonction puisque la dernière formule1 bénéficie d’une déportance de -0,13. De par la forme arrondie de son plancher, le modèle A a une déportance supérieure de -0,26. Le deuxième véhicule a lui une portance de 0,16 ce qui pourrait entraîner un décollement des roues lors de la propulsion. À la vue de ces coefficients, on conclut que le modèle A est le plus performant. Cependant, de par sa complexité, le modèle D peut sûrement voir ses caractéristiques s’améliorer en modifiant les différents paramétrages. De plus si la déportance du modèle doit être augmentée, on pourra y installer les ailerons dimensionnés dans le 4e modèle. Modèle A B D Cx 0,38 0,52 0,63
  43. 43. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 43 19/01/2015 Cz -0,26 0,16 -0,13 S (cm2 ) 9,796 10,86 10,95 S.Cx (cm2 ) 3,72 5,65 6,90 Un autre point important à étudier est celui des turbulences qui peut diminuer considérablement la vitesse de la formule 1. Les résultats de lignes de flux et de répartition des vitesses montrent que l’arrière du premier modèle n’est pas étudié pour empêcher la turbulence puisqu’on remarque une trainée très longue. Le modèle B, grâce à la forme bombée de la chambre à air comprimé, réussit à avoir des turbulences qui commencent à s’estomper dès le passage de la voiture (contrairement au modèle A). Il faudrait donc améliorer la forme de la chambre sur le modèle A pour essayer de la bomber.
  44. 44. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 44 19/01/2015 5. Fabrication du modèle final 5.1. Choix du modèle De la même façon qu’on utilise ce projet pour découvrir plusieurs logiciels (Fluent et StarCCM+), on souhaite avoir un aperçu de la puissance de la FAO. Aussi, même si le dernier modèle présenté ne semble pas être le plus performant aérodynamiquement, c’est celui qu’on a choisi de fabriquer. En effet, sa complexité lui offre une assez importante flexibilité permettant sûrement d’améliorer ses performances et sa forme complexe est très intéressante à fabriquer. 5.2. Réalisation Un des objectifs de notre projet était de réaliser une formule 1 miniaturisée pour effectuer des essais en soufflerie. En concertant nos professeurs de mécanique des fluides, on apprend que l’essai en soufflerie ne pourra pas être fait. On décide quand même de réaliser un des modèles créés en CAO afin de découvrir la démarche de fabrication. D’après le règlement, l’ensemble de la structure doit être réalisé en balsa blanc. Cependant, à la vue des délais très courts dont on dispose à cette étape du projet, on fait le choix de construire la voiture en impression 3D. Toutefois, les axes des roues et les ailerons arrière sont trop fins et seront réalisés respectivement en aluminium et en bois. Enfin les roues sont usinées dans du bois, car leur forme est très simple. Seul le corps de la voiture est donc imprimé. Cependant, l’imprimante disponible à l’école ne permet pas de réaliser l’ensemble de la pièce (170 mm de long) en une fois. Il est donc nécessaire de la découper en trois. Pour ne pas modifier la forme du véhicule lors du collage des deux parties du corps, on crée un guidage sous la forme d’une extrusion rectangulaire dans le plan de coupe sur la pièce contenant le nez. Elle s'emboîtera dans un enlèvement de matière rectangulaire symétrique réalisé dans la surface découpée de l’arrière de la formule 1 (cf. figure ci-dessous). De plus les ailerons avant étant de forme complexe sont réalisés individuellement pour simplifier l’impression 3D et ensuite seront collés à la partie avant du corps (pièce contenant le nez) dans la zone où il y a un enlèvement de matière. Les plans de l’ensemble des pièces sont donnés en annexe.
  45. 45. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 45 19/01/2015 5.2.1. Axes des roues Les axes sont des cylindres de diamètre 4 mm et de longueur 50 mm. Ces pièces sont trop fines pour pouvoir être réalisées en impression 3D ou en bois. On décide donc de les réaliser en acier. On découpe donc deux axes dans une barre d’alliage d’acier Stub de diamètre 4 mm. 5.2.2. Roues Les roues sont des cylindres de diamètre 30 mm et de longueur 15 mm avec un méplat de 3 mm. On décide de les usiner dans du bois. Plutôt que d’utiliser une scie cloche, le technicien en charge de la réalisation des roues utilise un tour à bois. Il part donc d’un pavé de bois qu’il met en place entre une pointe à ergot et une contre-pointe selon son axe longitudinal. Le morceau de bois est mis en rotation et le technicien réalise une première passe avec une gouge pour donner une forme cylindrique grossière à la pièce. Ensuite une deuxième passe avec un racloir affine la forme. Pour paramétrer la largeur des roues, il utilise un compas à bois de manière à faire des incisions régulièrement réparties sur le cylindre. A l’aide de la gouge, il creuse ces marques et on obtient alors la pièce visible sur l’image ci-dessous. Il ne reste plus qu’à découper les quatre roues à l’aide d’une scie à ruban puis de les poncer. Enfin, le technicien utilise une raboteuse pour créer le méplat.
  46. 46. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 46 19/01/2015 Afin de fixer les roues aux axes et à la route, on réalise deux perçages dans chacune d’entre elles (4mm au centre et 3mm sur le méplat) avec une perceuse à colonne. 5.2.3. Ailerons arrière Les ailerons arrière sont usinés dans des blocs de 22x19.5x5.2 mm. Leur forme aérodynamique est obtenue par l’utilisation d’une râpe et de papier de verre. Pour un essai en soufflerie, il n’est pas nécessaire d’avoir une grande précision sur la forme des ailerons. En effet, les pièces ont des petites dimensions et influencent très peu l’écoulement de l’air autour du véhicule.
  47. 47. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 47 19/01/2015 On obtient donc à cette étape les deux axes collés dans les quatre roues et les deux ailerons arrière comme présentés en partie dans l’image ci-dessous. 5.2.4. Corps Le corps devait être réalisé en impression 3D. Cependant, la fin du projet coïncidait avec la fin du semestre. Aussi, il n’a pas été possible d’imprimer la voiture. Cependant la conversion des fichiers CatProduct en stl a été effectuée et l’ouverture de ces fichiers dans le logiciel d’impression 3D a été faite (cf images ci-dessous) par le professeur encadrant qui s’occupe de l’imprimante 3D. Ainsi il ne restait vraiment qu’à lancer l’impression. Figure de l’aileron avant :
  48. 48. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 48 19/01/2015 Figure de la partie avant du corps :
  49. 49. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 49 19/01/2015 Figure de la partie arrière du corps :
  50. 50. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 50 19/01/2015 6. Conclusion On a vu que le projet TAOSE Conception d’une Formule 1 miniaturisée se base notamment sur l’étude aérodynamique d’un véhicule terrestre ainsi que la fabrication de ce dernier. De plus ce projet à permis aux étudiants de se familiariser avec les logiciels d’aérodynamique, avec les termes techniques anglais et avec certains procédés de fabrication. À partir du règlement technique issu du site internet Formula 1 In Schools : The Formula 1 Technology Challenge on a pu établir le cahier des charges fonctionnel permettant par la suite de dimensionner le véhicule sur modélisation numérique (CATIA V5). Ensuite on a effectué les différents tests aérodynamiques sur des logiciels comme Fluent ou Star CCM+ et comparé les résultats des différentes voitures. Enfin on a commencé la fabrication de certaines parties du véhicule dans le but de préparer une maquette pour pouvoir effectuer des tests en soufflerie. Malheureusement le temps était insuffisant pour tout faire de façon approfondie, c’est-à-dire de fabriquer la voiture la plus performante d’après les simulations et finir la fabrication de la voiture qui a été choisie. Cependant on a réalisé tous les objectifs qu’on s’était imposés ; c’est-à-dire : concevoir et réaliser la Formule 1 miniaturisée tout en respectant un règlement de participation, étudier et analyser la résistance aérodynamique d’une Formule 1 miniaturisée, fabriquer et préparer une maquette pour pouvoir effectuer des tests en soufflerie.
  51. 51. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 51 19/01/2015 7. Bibliographie ● Aérodynamique automobile pour l'environnement, le design et la sécurité - Gilliéron Patrick - 2011 ● (Ahmed Body) http://www.iei.liu.se/mvs/utbildning/avancerade- kurser/tmmv08/presentation/1.435523/ahmed.pdf, consulté le 8/12/14 ● (Ahmed Body) http://www.issres.net/journal/index.php/cfdl/article/viewFile/S2180- 1363%2811%293132-X/91, consulté le 8/12/14 ● Base de données de profils : http://airfoiltools.com/ consulté le 15/01/15
  52. 52. Ludovic BORGES Yvonnick COLLIN Edoardo MARIANI PLACIDI Anthony MUNOZ Projet TAOSE - Conception et fabrication d’une Formule 1 miniaturisée Page 52 19/01/2015 8. Annexe Cf sur le drive/livrable/Annexe
  53. 53. F1 in Schools™ - 2014 World Finals Technical Regulations ©2013 - F1 in Schools Ltd. Page 1 of 23 17 July 2014
  54. 54. F1 in Schools™ - 2014/15 UK Technical Regulations – Formula 1® Class ©2014 - F1 in Schools Ltd. Page 2 of 23 17 July 2014 CONTENTS PREFACE – SUMMARY OF MAIN REVISIONS FROM 2013 REGULATIONS ....................................................................4 ARTICLE T1 – DEFINITIONS..................................................................................................................................................................5 T1.1 F1 in Schools car........................................................................................................................................................................5 T1.2 Fully assembled car...................................................................................................................................................................5 T1.3 Body...................................................................................................................................................................................................6 T1.4 CO2 cylinder chamber.............................................................................................................................................................6 T1.5 Wing..................................................................................................................................................................................................6 T1.6 Wing support structure..........................................................................................................................................................6 T1.7 Nose cone......................................................................................................................................................................................6 T1.8 Wheel...............................................................................................................................................................................................7 T1.9 Wheel support system............................................................................................................................................................7 T1.10 Tether line slot.............................................................................................................................................................................7 T1.11 Tether line guide .........................................................................................................................................................................7 T1.12 Surface finish and decals .......................................................................................................................................................7 T1.13 F1 in Schools™ logo decal .....................................................................................................................................................7 T1.14 Hand finishing...............................................................................................................................................................................7 T1.15 Official balsa wood blank.........................................................................................................................................................7 T1.16 Engineering Drawings..............................................................................................................................................................8 T1.17 Vertical reference plane .........................................................................................................................................................8 ARTICLE T2 – GENERAL PRINCIPLES..............................................................................................................................................8 T2.1 Regulations documents ..........................................................................................................................................................8 T2.2 Interpretation of the regulations ........................................................................................................................................8 T2.3 Amendments to the regulations.........................................................................................................................................8 T2.4 Safe construction.......................................................................................................................................................................9 T2.5 Compliance with regulations ................................................................................................................................................9 T2.6 Critical technical regulations................................................................................................................................................9 T2.7 Design ideas and regulation compliance questions. ................................................................................................9 T2.8 Measurements............................................................................................................................................................................9 ARTICLE T3 – FULLY ASSEMBLED CAR......................................................................................................................................10 T3.1 Design, manufacture and construction – [Critical regulations]..................................................................... 10 T3.2 Finishing – [Penalty – 6pts each] .................................................................................................................................. 10 T3.3 Undefined features – [Critical regulation │Penalty – 6pts] ............................................................................. 10 T3.4 Overall length – [Critical regulation │Penalty – 6pts]......................................................................................... 10 T3.5 Width – [Critical regulations │Penalty – 6pts each]........................................................................................... 10 T3.6 Total weight – [Critical regulation │Penalty – 6pts] ............................................................................................ 11 T3.7 Track clearance – [Penalty – 6pts].............................................................................................................................. 11 T3.8 Status during racing - [Penalty – 6pts]....................................................................................................................... 11 T3.9 Engineering Drawings – [Penalty – 6pts each] ...................................................................................................... 11 T3.10 Replacement Components – [Penalty – 6pts]........................................................................................................ 11 ARTICLE T4 – BODY.............................................................................................................................................................................11 T4.1 Body construction – [Critical regulation │Penalty – 6pts] ............................................................................... 11 T4.2 Implants – [Critical regulation │Penalty – 6pts].................................................................................................... 11 T4.3 Virtual cargo – [Critical regulation │Penalty – 6pts]........................................................................................... 12 T4.4 Virtual cargo identification – [Penalty – 3pts]......................................................................................................... 12 T4.5 Exclusion Zones – [Critical regulation │Penalty – 6pts].................................................................................... 12 T4.6 Body thickness – [Penalty – 3pts]................................................................................................................................. 12 T4.7 F1 in Schools™ logo decal location – [Penalty – 6pts]....................................................................................... 13 ARTICLE 5 - CO2 CYLINDER CHAMBER.......................................................................................................................................13 T5.1 Diameter – [Penalty – 3pts]............................................................................................................................................. 13
  55. 55. F1 in Schools™ - 2014/15 UK Technical Regulations – Formula 1® Class ©2014 - F1 in Schools Ltd. Page 3 of 23 17 July 2014 T5.2 Distance from track surface – [Penalty – 2pts].................................................................................................... 13 T5.3 Depth – [Penalty – 2pts].................................................................................................................................................... 13 T5.4 Thickness of chamber surrounds – [Penalty – 3pts].......................................................................................... 13 T5.5 Finishing of chamber surrounds – [Penalty – 2pts] ............................................................................................ 14 ARTICLE T6 – TETHER LINE SLOT..................................................................................................................................................14 T6.1 Location....................................................................................................................................................................................... 14 ARTICLE T7 – TETHER LINE GUIDES.............................................................................................................................................14 T7.1 Location – [Critical regulation │Penalty – 6pts].................................................................................................... 14 T7.2 Diameter – [Penalty – 2pts]............................................................................................................................................. 14 T7.3 Guide separation – [Penalty – 2pts] ............................................................................................................................ 14 T7.4 Tether line guide safety – [Penalty – 3pts]............................................................................................................... 15 ARTICLE T8 – WHEELS.......................................................................................................................................................................15 T8.1 Number and location – [Critical regulation │Penalty – 6pts]......................................................................... 15 T8.2 Distance between opposing wheels – [Critical regulation │Penalty – 6pts]........................................... 15 T8.3 Diameter – [Critical regulation │Penalty – 6pts].................................................................................................. 15 T8.4 Width – [Critical regulation │Penalty – 6pts]......................................................................................................... 16 T8.5 Visibility from top and side – [Critical regulation │Penalty – 6pts] .............................................................. 16 T8.6 Visibility in front view – [Penalty – 6pts each] ......................................................................................................... 16 T8.7 Race track contact – [Penalty – 2pts]........................................................................................................................ 17 T8.8 Rolling surface – [Penalty – 3pts]................................................................................................................................. 17 T8.9 Wheel support systems – [Penalty – 3pts] ............................................................................................................. 17 T8.10 Rotation – [Critical regulation – Penalty 6pts] ....................................................................................................... 17 ARTICLE T9 – NOSE CONE................................................................................................................................................................17 T9.1 Construction ............................................................................................................................................................................. 17 ARTICLE T10 – WING AND WING SUPPORT STRUCTURE ................................................................................................17 T10.1 Description and placement – [Critical regulation │Penalty – 6pts] ............................................................ 17 T10.2 Construction and Rigidity – [Penalty – 6pts] ........................................................................................................... 18 T10.3 Clear airflow – [Penalty – 6pts]...................................................................................................................................... 18 T10.4 Rear wing location – [Critical regulation │Penalty – 6pts]............................................................................... 18 T10.5 Rear wing height – [Critical regulation │Penalty – 6pts].................................................................................. 18 T10.6 Front wing location – [Critical regulation │Penalty – 6pts].............................................................................. 19 T10.7 Visibility of front wing – [Penalty – 3pts].................................................................................................................... 19 T10.8 Wing identification – [Penalty – 3pts]......................................................................................................................... 19 T10.9 Front and rear wing span – [Penalty – 3pts each]............................................................................................... 19 T10.10 Span segments – [Penalty – 3pts].............................................................................................................................. 19 T10.11 Front and rear wing chord – [Penalty – 2pts each]........................................................................................... 20 T10.12 Front and rear wing thickness – [Penalty – 2pts each]..................................................................................... 20 APPENDIX – OTHER ILLUSTRATIONS...........................................................................................................................................21 i. Launch Pod and Finish Gate dimensions .................................................................................................................................... 21 ii. Official balsa blank dimensions........................................................................................................................................................ 22 iii Regulation compliance drawing.…………………………………………………………………………………..………………………………………….23
  56. 56. F1 in Schools™ - 2014/15 UK Technical Regulations – Formula 1® Class ©2014 - F1 in Schools Ltd. Page 4 of 23 17 July 2014 PREFACE – SUMMARY OF MAIN REVISIONS FROM 2013 REGULATIONS This section provides an overview of articles that have had significant revisions made from the 2013 Technical Regulations. T1.6 Definition of ‘Wing Support Structure’ revised. “non-metallic” removed T1.7 Definition of Nose Cone revised T2.6 Critical Regulations list revised. T3 Re-number of Article 3 sub articles. R3.1.3 & 3.1.4 no longer critical regulations. T3.6 ‘Body to track distance’ is no longer a critical regulation T3.10 New regulation – Replacement components T4.2 Now non-critical regulation T8.5 Wheel visibility. Added additional text “by any component of the car” T9.1 Nose cone. Removed “non-metallic”. Penalty removed. T10.2 Wing and wing support structure construction. Removed “non-metallic”. Now non-critical regulation. T10.3 Wording revised slightly T10.9 Wing span calculations example reworded T10.10 Wording revisions. Wing span calculations example reworded Additionally, all regulation infringement penalties have been revised. IMPORTANT: Critical Technical Regulations Regulations identified as a critical technical regulation are listed in this article and identified with the hazard symbol and highlight in yellow. If a team’s primary and back-up race car is judged as being NON-COMPLIANT with any critical technical regulation they will be INELIGIBLE for the awards of; National Champions, Fastest Car & Best Engineered Car. The critical technical regulations are articles: T3.1/T3.2/T3.3/T3.4/T3.5/T3.6/T4.1/T4.2/T4.3/T4.5/T7.1/T8.1/T8.2/T8.3/T8.4/T8.5 /T8.10/T10.1/T10.2/T10.4/T10.5/T10.6. Please check and ensure your team understand and meet all of the above critical technical regulations! IMPORTANT: Entry Class Technical Rules and Regulation If your team has decided to enter the ROOKIE CLASS, please download and use the Rookie Class Technical Rules and Regulation from the F1 in Schools™ website (www.f1inschools.co.uk) NOT THIS DOCUMENT!
  57. 57. F1 in Schools™ - 2014/15 UK Technical Regulations – Formula 1® Class ©2014 - F1 in Schools Ltd. Page 5 of 23 17 July 2014 ARTICLE T1 – DEFINITIONS T1.1 F1 in Schools car This is also referred to as ‘the car’. Designed and manufactured according to these regulations for the purpose of participating in races on the F1 in Schools™ track at the World Finals event, powered only by a single gas cylinder containing 8 grams of pressurised CO2. F1 in Schools cars are designed to travel the 20 metre race distance as quickly as possible, whilst withstanding the forces of launch acceleration, track traversing and physical deceleration after crossing the finishing line. An F1 in Schools car assembly must only consist of the following components: A body (which includes a virtual cargo) A CO2 cylinder chamber A front wing A rear wing Wing support structures A nose cone Wheels Wheel support systems A tether line slot Tether line guides Surface finishing and decals Adhesives with no dimensional impact are permissible for joining components. T1.2 Fully assembled car An F1 in Schools car, without a CO2 cylinder inserted, presented ready for racing, resting on the track surface, free of any external force other than gravity.
  58. 58. F1 in Schools™ - 2014/15 UK Technical Regulations – Formula 1® Class ©2014 - F1 in Schools Ltd. Page 6 of 23 17 July 2014 T1.3 Body A solid uninterrupted piece of balsa wood existing rear of the front axle centre line and encompassing both the virtual cargo and CO2 cylinder chamber. For dimensional purposes the body also includes any attached decals and surface finishes. Any balsa wood forward of the front axle centre line is not defined as car body. T1.4 CO2 cylinder chamber A circular cylinder of clear space bounded along its side and one end by car body only. This is where the CO2 gas cylinder is placed for racing. T1.5 Wing A wing on an F1 in Schools car is an aerodynamic feature that permits airflow around ALL of its surfaces including its features of a leading and trailing edge. A wing is dimensionally defined by the maximum and minimum span, chord and thickness. The vertical cross- sectional shape of the wing, parallel to the direction of car travel, is referred to as an aerofoil. Wing cross-section / aerofoil nomenclature T1.6 Wing support structure Is a feature, other than wing, car body or nose cone that joins a wing surface to another component of the car assembly. T1.7 Nose cone The nose cone is a component of the car, other than wheel, wheel support system, wing or wing support structure, that exists forward of the front axle centre line, when the car is in racing trim. This includes any balsa wood material that continues forward of the front axle centre line, or any other materials. Wing Support Structures
  59. 59. F1 in Schools™ - 2014/15 UK Technical Regulations – Formula 1® Class ©2014 - F1 in Schools Ltd. Page 7 of 23 17 July 2014 T1.8 Wheel A wheel is a single part or assembly of components, cylindrical in form, with its maximum circumference contacting the track surface, enabling motion of the car through rotation. All material existing within the volume of the extreme diameter and width is considered to be part of the wheel. T1.9 Wheel support system Wheel support systems are single parts or an assembly of components that connect a wheel to any other part of the car. These may consist of a combination of manufactured or commercial parts. I.e. Bearings, bushes and axles could be used. T1.10 Tether line slot An optional component of the car, the tether line slot is a rectangular prism of clear space that is bounded by solid material on three sides of its length. A slot features on the official balsa wood blank and this may be incorporated into the cars design as a tether line slot. T1.11 Tether line guide A tether line guide is a key safety component which completely surrounds the track tether line so as to safely connect the car to the tether line during races. A tether line guide can be a component sourced from a supplier or manufactured wholly or in part by the team. T1.12 Surface finish and decals A surface finish on an F1 in Schools car is considered to be any applied visible surface covering, of uniform thickness over the profile of a car component. A decal is material adhered to a component or surface finish. To be defined as a decal, 100% of the area of the adhering side must be attached to a surface. Surface finishes and decals are included when measuring the dimensions of any components they feature on. T1.13 F1 in Schools™ logo decal This consists of the F1 in Schools™ logo graphic printed on either black or white adhesive vinyl with a horizontal dimension of 30mm and vertical dimension of 15mm. Teams choose to use either the black or the white background decal so as to provide maximum contrast with the colour of the surface the decal is being adhered to. Official decals are supplied by F1 in Schools Ltd at event registration. A team can manufacture and fit their own decals, provided they are the correct size, colour and graphic design. Optionally, a black key-line border of 1mm in thickness may be included on the white background decal. T1.14 Hand finishing Hand finishing is defined as use of a hand powered device (e.g. abrasive paper) for removing only the irregularities that may remain on a CNC machined surface of the car body. These irregularities are often referred to as ‘scalloping marks’. T1.15 Official balsa wood blank The official balsa wood blank is a homogenous piece of forested balsa wood, processed to the dimensional features as shown by diagrams in the appendix of this document.
  60. 60. F1 in Schools™ - 2014/15 UK Technical Regulations – Formula 1® Class ©2014 - F1 in Schools Ltd. Page 8 of 23 17 July 2014 T1.16 Engineering Drawings CAD produced drawings which should be such that, along with relevant CAM programs, could theoretically be used to manufacture the fully assembled car by a third party. Such drawings include all relevant dimensions, tolerances and material information. F1 in Schools engineering drawings include detail to specifically identify and prove compliance for the virtual cargo and wing surfaces. T1.17 Vertical reference plane To assist with describing dimensions, it is assumed that an invisible plane exists two dimensional along the length of the CO2 cylinder chamber centre axis and perpendicular to the track surface. This is known as the vertical reference plane. ARTICLE T2 – GENERAL PRINCIPLES T2.1 Regulations documents T2.1.1 F1 in Schools Ltd. issues the regulations, their revisions and amendments made. T2.1.2 Technical Regulations - This document. The Technical Regulations document is mainly concerned with those regulations that are directly related to F1 in Schools car design and manufacture. Technical Regulation article numbers have a ‘T’ prefix. T2.1.3 Competition Regulations – A document separate to this one which is mainly concerned with regulations and procedures directly related to judging and the competition event. Competition Regulation article numbers have a ‘C’ prefix. T2.2 Interpretation of the regulations T2.2.1 The final text of these regulations is in English should any dispute arise over their interpretation. The text of a regulation, diagrams and any related definitions should be considered together for the purpose of interpretation. T2.2.2 Text clarification - Any questions received that are deemed by F1 in Schools Ltd. to be related to regulation text needing clarification will be answered by F1 in Schools Ltd. The question received, along with the clarification provided by F1 in Schools Ltd., will be published to all competing teams at the same time. T2.3 Amendments to the regulations Any amendments will be announced and released by F1 in Schools Ltd. by email notification to all in-country co-ordinators as well as being posted on the website www.f1inschools.com. Any amended text will be indicated thus (using red underlined text).
  61. 61. F1 in Schools™ - 2014/15 UK Technical Regulations – Formula 1® Class ©2014 - F1 in Schools Ltd. Page 9 of 23 17 July 2014 T2.4 Safe construction T2.4.1 Specification judging - All submitted cars will be inspected closely to ensure that they are engineered and constructed safely for the purpose of racing. High importance is placed on ensuring that tether line guides are robust and secure. If the Judges rule an aspect of the primary race car to be unsafe for racing, the team will be required to use their back-up race car. If the back-up race car is also ruled to be unsafe, repairs / modifications can be carried out on the primary race car. Any such repair work or change of car will result in a penalty of 5 points. T2.4.2 During racing – The race Officials will routinely inspect cars for safety during scheduled races. If the Officials rule a car to be unsafe, the back-up race car will be used and a penalty of 5 points will be imposed. The team may repair the primary race car as per the Competition Regulations, Article C9 – Car Repairs and Servicing. T2.5 Compliance with regulations Points are deducted for non-compliance with the technical regulations as per the specification judging score card. Both the primary and back-up race cars are scrutineered and points will be deducted for any infringements on either car. These penalties are only imposed once, per infringement, per car. Several regulations have been identified as ‘critical regulations’. T2.6 Critical technical regulations T2.6.1 Regulations identified as a critical technical regulation are listed in this article. If a team’s primary race car is judged as being NON-COMPLIANT with any critical technical regulation they will be INELIGIBLE for the awards of; World Champions, Fastest Car & Best Engineered Car. T2.6.2 If the back-up race car is used for any races, it must also comply with all critical technical regulations for the team to be eligible for these awards. T2.6.3 The critical technical regulations are articles: T3.1/T3.3/T3.4/T3.5/T3.6/T4.1/T4.3/T4.5/T7.1/T8.1/T8.2/T8.3/T8.4/T 8.5/T8.10/T10.1/T10.4/T10.5/T10.6 T2.7 Design ideas and regulation compliance questions. Teams are not permitted to seek a ruling from F1 in Schools Ltd. or any competition officials or judges before the event as to whether a design idea complies with these regulations. Rulings will only be made by the Judges at the World Finals event. Design compliance to the regulations forms part of the competition. As in Formula 1™ innovation is encouraged, and F1 in Schools™ teams may also find ways of creating design features that push the boundaries of the regulations in order to get an extra competitive edge. T2.8 Measurements T2.8.1 Tolerance when measuring all dimensions is +/- 0.5mm unless otherwise stated. T2.8.2 Tolerance when measuring weight is +/- 0.5grams. T2.8.3 Dimensional measures - All car component dimensions are inclusive of any applied paint finish or decal. A series of specially manufactured gauges will be used to broadly verify dimensional compliance. Accurate measuring tools, such as vernier calipers, will then be used to closely inspect any dimensions found to be close to the dimensional limits per the initial gauge inspection. T2.8.4 Weight measures – all weight measurements will be made using the F1 in Schools Ltd. electronic competition scales which are accurately calibrated to +/- 0.1 gram.

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