模拟，竞争，重复

Eric Warren，首席技术官和Eric Kominek，首席设计师Richard Childress Racing

从基本的空气动力学到关键的决策工具，在过去的十年里，模拟技术在纳斯卡车队中取得了长足的进步。在此之前，团队主要依靠团队负责人的经验和直觉来决定要做哪些调整。现在，在Richard Childress Racing公司(RCR)，管理层很少会在没有事先询问“模拟结果显示了什么”的情况下对汽车进行改动。

数据驱动的决策

现代纳斯卡赛车是车轮上最复杂的工程系统之一。这也不是一个“设定了就忘了”的系统。纳斯卡赛车每周都需要进行重大的改装。在正常的36场比赛赛季(2020年包括一些周中比赛，以弥补因COVID-19大流行和停工而失去的周末)的每个周一，工程师们都会汇编和分析上一场比赛的结果，以及车手的反馈和从汽车上的传感器收集的大量比赛日数据。然后，他们开始调整汽车为即将到来的挑战下一个星期天。

每个赛道都是不同的——从代托纳和塔拉迪加的2.5英里的超级高速公路到半英里的短道——赛道的倾斜角从5度到33度不等。赛道表面和天气状况每周都在变化。赛车的每一侧都有超过15种不同的轮胎结构和复合组合，每周都会因赛道而异。车队的任务是根据预测的比赛条件选择合适的轮胎弧度、转向对准和操作轮胎压力。

RCR工程师使用Ansys仿真软件响应新规则并为比赛日做准备。万博

工程团队必须结合所有这些因素来确定他们的赛车在那周赛道上的最佳设置，所有这些都要在周日之前完成。在周五的练习赛和周六的排位赛之后，他们会从车手那里得到一些反馈，但他们越来越多地依靠模拟来让他们的赛车处于最佳状态。对于COVID-19停赛后的比赛尤其如此，车队被要求“出现并参加比赛”，没有练习或排位赛，因此没有时间在赛道上检查以确保赛车操作正确。

大约五年前，RCR的工程师们采用了Ansys Fl万博uent计算流体动力学(CFD)软件和Ansys Mechanical，使他们的雪佛兰Camaro赛车更符合空气动力学。在当今的专业赛车世界中，这需要能够创造空气动力学形状和轻质结构部件，设计这些形状和结构的灵活性，以便它们在负载和温度下变形，并优化整体圈速性能，同时保持所需的高强度。最近，RCR工程师添加了Ansys的伴随求解器，可以实现多目标形状优化和拓扑优化万博。RCR工程师还使用高性能计算(HPC)来处理他们每周运行的高分辨率模拟(每辆车的网格数达到5亿)。

RCR使用Ansy万博s Fluent来了解赛车下方复杂的气流。

满足规则变化的需求

似乎每周在不同赛道上时速200英里的赛车所涉及的变量还不够多，纳斯卡官方每年都会发布一份规则包，详细说明每个车队必须满足的设计参数才能有资格参加比赛。2018年10月，2019年纳斯卡杯系列赛季发布了一个截然不同的规则包，指示车队在长度超过1英里的所有赛道上将发动机马力从750马力减少到550马力。汽车后部扰流板的尺寸从2.75英寸增加到8英寸× 61英寸，以增加阻力。新规则还要求在发动机前部增加一个锥形隔板，以减少进入发动机的空气流量，从而控制其燃烧效率并设定其最大功率。

为什么一个赛车组织想让赛车慢下来?出现了两个主要原因。首先，直道上的速度变得非常危险，导致重达3500磅的汽车以每小时218英里的速度进入弯道。动量，等于质量乘以速度，给制动和悬挂系统带来了极大的压力，导致潜在的危险情况。第二，比赛的结果似乎更多地掌握在工程师的手中，而不是车手。拥有最多钱的车队可以对赛车的下压力进行微调，让赛车跑得更快。正如纳斯卡执行副总裁兼首席赛车发展官史蒂夫·奥唐纳于2018年10月在纳斯卡网站上解释的那样:“对我们来说，真正的重点是回归真正关注车手和纳斯卡的意义——近距离并排比赛，并试图提供更多这样的东西。”

平衡拖拽和下压力

新规则大大提高了阻力在赛车空气动力学方程中的重要性。在2019年之前，在大多数纳斯卡赛道上，从空气动力学的角度来看，主要考虑的是你能产生多大的下压力，因为空气更用力地将赛车推到赛道上，会导致轮胎产生更大的横向抓地力，从而使赛车跑得更快。阻力只是在代托纳和塔拉迪加高速公路上的一个主要因素，在那里，长直道和高倾斜使得低阻力成为达到最高速度的关键。

在2019年，赛车队现在必须考虑阻力和下压力之间的权衡。在十年前，这需要将汽车运送到风洞，并且每小时花费3500美元租用风洞，这还不包括测试部件和运行测试所需人员的成本。典型的风洞测试测量的是下压力和阻力，但CFD模拟可以获得更多数据，同时使工程师能够以更低的成本想象整个流场。

RCR工程师在Ansys机械中模拟新的分岔杆时考虑了空气动力压力。万博

当然，工程师们最初的模拟重点是改进他们自己的汽车以符合规则，但很快就发现这还不够。紧凑的赛车会影响彼此的阻力和下压力，所以他们开始使用CFD来研究两辆车的空气动力学相互作用。

RCR工程师开始使用Ansys Fluent对他们的万博汽车在另一辆汽车周围的许多不同位置进行高分辨率模拟，以创建空气动力学地图。地图显示了相对于另一辆车，哪些相对位置给了他们优势，哪些使他们在空气动力学上处于劣势。然后，RCR驾驶员利用这些信息在拥挤的车辆中定位自己。有了CFD结果的知识，司机就知道他需要在哪里“侧吃水”，并通过正确定位自己的车来让另一辆车减速。

模拟多车和单车的相互作用，以准备不同的比赛场景。

跑步比赛周多物理场模拟

RCR工程师通常会在比赛前三到四周开始配置赛车。车手在模拟器上练习他们的技能，以提前感受汽车在给定赛道的高分辨率模型上的表现，精确到2厘米。一旦赛车在赛道上卸下来，每个人都立即试图确定模拟与现实的接近程度，并决定他们需要如何应对任何差异。他们可能会改变轮胎压力、弧度、弹簧、刹车或其他部件。

根据赛道的不同，增大车前或车尾的下压力可能会提高它的性能，尤其是在转弯时。RCR工程师使用基于Fluent和Ansys Mechanical的多物理场模拟来调整汽车的整体平衡。万博例如，通过模拟底盘上的空气动力学和机械载荷，并在此基础上对汽车进行物理改变，它们可以使底盘和汽车前部在转弯时弯曲几英寸，以保持汽车前部向下。如果情况需要，也可以对汽车的后部进行类似的改变。

在这些模拟中，RCR工程师从CFD模拟中导出分离器(实际上是汽车前部散热器下方的翼下平面)或后部扰流板上的压力表面图，并将其导入机械系统，对这些表面和车身支架进行结构分析。关键是要保持分离器靠近赛道，同时防止与地面接触，因为接触会使汽车前方的空气停滞。因此，他们将压力映射到机械分离器的表面，然后使用有限元分析(FEA)模拟，以确保它足够坚硬，能够承受压力，同时允许悬挂载荷向正确的方向移动。同样，他们也会进行CFD模拟，以获得汽车后部的压力载荷，然后进行有限元模拟，以确保后车身安装刚度得到优化，以应对下压力。

模拟将在整个比赛周末继续进行。当使用现场计算机集群进行计算时，工程师需要使用100个处理器，并且需要大量设备和IT人员在3到4天内运行单个CFD模拟。万博Ansys HPC在云端为工程师提供了更大的可扩展性:如果RCR工程师需要在数小时而不是数天内解决问题，他们可以使用HPC轻松扩展到50,000个核心并快速完成模拟。

通过使用先进的伴随求解技术，Ansys Fluent既可以识别敏感的几何变化，又可以将表面变形万博为优化的形状。

实时数据分析

在比赛期间，每支队伍每秒接收5次数据(5hz)，包括GPS线路、横向和纵向加速度数据以及其他信息。他们不仅可以获得自己汽车的数据，还可以通过双方的协议获得竞争对手汽车的数据。在此之前，每个团队都花了很多钱独立捕捉竞争对手的无线电传输来获得这些数据，所以他们都聚集在一起，决定免费分享这些数据以节省资金。

有了这些数据，赛车队就会在比赛当天使用数据分析、数字双胞胎和人工智能工具来获得优势。他们现在可以从汽车上获取实时数据，并在现场创建可操作的数据。车队正在研究其他车手的转向、刹车和油门数据，看看他们需要在哪些方面提高自己赛车的性能。

在比赛期间，随着人工智能融入比赛，机器学习和云计算正在发生变化。例如，RCR拥有策略优化软件，可以根据轮胎磨损的速度和天气变化等因素预测何时进站。像这样的模拟使用来自他们自己的汽车和其他领域的数据，帮助RCR工程师利用自己的优势和对手的弱点。

因此，尽管2018-2019赛季的规则变化确实让车手的技术和胆量重新回到了方程式中，为车迷带来了一场更加激动人心的比赛，但由于这些规则在2020赛季继续执行，工程师们比以往任何时候都要忙。CFD, FEA和多物理场模拟，拓扑优化，HPC，机器学习和AI都是软件包的一部分。模拟是通往方格旗的道路。