Simulação de tempo de volta de veículo fórmula SAE com modelo Quasi-steady state

Abstract

Cada vez mais as equipes de competição têm recorrido a ferramentas computacionais para desenvolver seus veículos, visando redução de custos com protótipos e testes físicos, bem como tempo de desenvolvimento. O simulador de tempo de volta é uma das ferramentas utilizadas, indispensável em categorias de topo, como a Fórmula 1, Indy e Le Mans. Ele permite estimar o tempo de volta de um veículo em uma pista. O presente trabalho lançou mão de um simulador de tempo de volta do tipo quasi-steady state destinado à categoria Fórmula SAE para simular o protótipo RS8 do Centro Universitário FEI e validou o resultado com base em tempos de volta em competição. Uma vez validado o modelo, simulou-se o novo protótipo RS9 para prever seu desempenho. O objetivo é modelar os veículos RS8 e RS9, e as pistas da competição, de forma a comparar os desempenhos. Em trabalhos futuros, poderão ser simuladas diferentes configurações do veículo para analisar quais delas efetivamente reduzem o tempo de volta, direcionando e otimizando os testes físicos. Foram criados dois modelos de veículo, com base em dados teóricos e empíricos fornecidos pela equipe Fórmula FEI. Por exemplo, a curva característica do motor foi levantada em dinamômetro, enquanto que os coeficientes aerodinâmicos foram determinados em simulação computacional de fluidodinâmica (CFD). Também foram gerados modelos de pistas de aceleração, skid-pad e autocross da etapa de Michigan de 2014 do circuito da Fórmula SAE. O programa adotado, OptimumLap, é de código fechado. Não tendo acesso às equações do movimento, um código de MATLAB foi criado para validar o cálculo da aceleração partindo do repouso, permitindo determinar as equações empregadas pelo simulador de tempo de volta. Determinadas as equações dinâmicas empregadas no programa OptimumLap, os resultados teóricos foram confrontados com os tempos das voltas da prova de Michigan 2014, para validação do modelo. Após a validação do modelo do veículo RS8, foram feitas as simulações das provas de Michigan 2014 com o novo protótipo RS9, finalizando o presente trabalho comparando os resultados e frisando as diferenças entre os dois veículos.

Racing teams have increasingly adopted computational tools to develop their vehicles, in order to reduce costs with prototypes and physical tests, as well as development time. Lap time simulator (LTS) is one of the employed tools, indispensable in top categories, as Formula 1, Indy and Le Mans. It allows to estimate lap time for a given vehicle setup. Current work made use of a Formula SAE oriented lap time simulator that uses a quasi-steady state method to simulate RS8 prototype, from Centro Universitário FEI, and validate the result based on competition real laps. Once model is validated, new RS9 prototype was simulated in order to foresee its performance. The goal is to model vehicles and competition tracks in order to compare their performance. One may be able to simulate different vehicle configurations in future research, in order to define which vehicle setup is faster around the track, guiding and optimizing tests. Two vehicle models were created, based on both theoretical and empiric data provided by Fórmula FEI racing team. For example, engine curves were raised through dynamometer tests, while aerodynamics data were determined through computer fluid dynamics simulations (CFD). Acceleration, skid-pad and autocross tracks from Michigan 2014 were generated. The lap time simulator chosen was OptimumLap. Because the equations of motion were not available, a MATLAB code was created to validate acceleration calculation from standing start, allowing to determine the equations employed by the LTS. Once equations of motion have been determined, theoretical results were compared to Michigan 2014 results, for model validation. After validation of the vehicle RS8 model, the simulation of Michigan 2014 with new RS9 prototype was done, finishing this work comparing the results and highlighting the differences between two vehicles.