Simulando otra victoria: Los vigentes campeones de la Formula Student desarrollan su primer coche de carreras eléctrico con Ansys

Cada año, cientos de estudiantes compiten en la competición anual de coches de carreras Formula Student en el famoso circuito inglés de Silverstone. Con el reto de construir un monoplaza ganador, los equipos diseñan y desarrollan su coche durante unos 10 meses antes de la carrera principal.

El año pasado, UGRacing, de la Universidad de Glasgow (Escocia), se proclamó campeón y este año ha aumentado la apuesta con el diseño de su primer vehículo eléctrico, lo que hace mucho más difícil una victoria consecutiva.

Para superar los nuevos retos que plantea el diseño de un VE, el equipo utiliza la simulación multifísica de Ansys para analizar la dinámica térmica, mecánica y de fluidos del coche y su batería. Con acceso a las herramientas a través de una asociación con el equipo de estudiantes de Ansys, UGRacing está planeando otra victoria este verano con la simulación en el asiento delantero.

Un impulso eléctrico para el éxito

La competición Formula Student de este año celebra su 25 aniversario y tendrá lugar del 19 al 23 de julio. El Instituto de Ingenieros Mecánicos gestiona la competición desde 1998, pero los estudiantes proceden de diversos ámbitos académicos. La UGRacing cuenta con casi 200 miembros de programas de licenciatura y doctorado, como ingeniería, magisterio, derecho, diseño y muchos otros.

Cada año, los estudiantes deben diseñar un coche desde cero y no pueden utilizar el modelo de un año anterior, aunque la mayoría de los equipos se inspiran en diseños anteriores. Sin embargo, al intentar un nuevo tipo de coche, eso no es una opción para UGRacing en esta ocasión.

«Todos los años, independientemente de que se trate de coches con motor de combustión interna (ICE) o de vehículos eléctricos, hay que empezar de cero con un diseño y un chasis nuevos», explica Luke Waugh, jefe del equipo Accumulator de UGRacing. «Pero, por lo general, cada año se mejora el diseño del año anterior. El cambio de ICE a EV es monumental porque no hay un coche anterior en el que fijarse y a partir del cual mejorar; tenemos que hacer el primero».

Waugh supervisa el diseño del acumulador del último modelo EV del equipo. Un acumulador es otro término para una batería de alto voltaje, y para un VE, la batería es crucial para el rendimiento del coche.

Su compañero Lukasz Poloczek, ingeniero de gestión térmica de UGRacing, se asegura de que el acumulador se mantenga frío utilizando Ansys Fluent para realizar análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD). Fluent le permite estudiar el flujo de aire en todo el vehículo y hacia el acumulador. Con esta información, Poloczek determina cuántos ventiladores son necesarios y en qué dirección debe fluir el aire para mantener la temperatura ideal del acumulador.

“Ansys Fluent has been monumental in helping us understand the power cooling, because otherwise we would just be going in blindly without being able to understand what improvements we need to make and whether the cooling is equal,” he says. “For example, you might have certain spots that heat up too much, which would kill the whole model. Fluent has been incredible because I can run the full simulation, and we can look at the airflow throughout the vehicle.”

UGRacing is designing a 400-V accumulator that will output direct current (DC) voltage to an inverter, which will switch DC voltage to three-phase alternating current (AC) voltage. Three-phase power distribution provides a consistent flow of power that is more efficient than a single-phase circuit, requiring less material and mass.

Poloczek also uses Ansys SpaceClaim 3D modeling software to set up geometries for the Fluent simulations, while the team’s structural lead uses finite element analysis (FEA) in Ansys Mechanical to design the chassis. By simulating forces onto different parts of the chassis, the structural team can predict how it will react to various forces on the track.

While winning competitions is desirable, this hands-on, practical experience is what the team is truly all about.

“The reason this team exists at the end of the day is to teach students practical skills that they otherwise wouldn’t get in their classes, and to provide hands-on experience that’s going to help them down the line,” says Cisa Muir, head of Operations of UGRacing. “They’re going to be able to go to an employer and already have years of experience that people in industry may not even have. Being able to use Ansys simulation tools through the Ansys Academic Program gives the students, and the team as a whole, so much of an extra step forward.”

Superar badenes con la simulación

Sin un diseño EV previo que revisar, el equipo confía más en la capacidad de predicción de la simulación. En lugar de utilizar la simulación como herramienta de análisis posterior o de verificación tras el diseño, el equipo la utiliza durante todo el proceso de diseño y ha encontrado un gran valor en este nuevo enfoque.

«Uno de los mayores retos a los que nos enfrentamos es montar las cosas y darnos cuenta de que algo va mal cuando ya las hemos construido. El uso de la simulación de Ansys nos proporciona resultados de respuesta instantáneos y continuos sobre cómo se está configurando nuestro diseño actual, y nos permite implementar esos cambios en un proceso continuo para el diseño en lugar de cuando estamos en la pista», dice Waugh. «Tener la simulación al principio nos permite cambiar los diseños desde el principio, en lugar de darnos cuenta de que hay un problema demasiado adelante».

El equipo suele empezar a diseñar el coche en septiembre, con el objetivo de tener su primer renderizado terminado a principios de enero para disponer de tiempo suficiente para la fabricación. Durante este proceso, el equipo puede ver materializado su diseño y determinar qué quiere ajustar, incluido su tamaño. Actualmente, el modelo de este año, el UGR23, mide unos 2,8 m de largo y 1,4 m de ancho, pero el diseño final puede cambiar antes de que llegue a la pista. Sorprendentemente, los equipos montan sus coches en el evento principal.

«Hay que pasar las verificaciones, que suelen durar unos dos o tres días para que los equipos ajusten sus coches y se instalen en los garajes para construirlos y prepararlos lo mejor posible», explica. «Muchos equipos recorren un largo camino y no se puede tener el coche montado y enviarlo. Siempre hay que volver a construirlo en el circuito».

La competición de Formula Student se desarrolla a lo largo de cinco días, con las siguientes rondas de desafíos estáticos y dinámicos:

Estático	Dinámico
– Evaluación del diseño, los costes, la sostenibilidad y la presentación comercial – Escrutinio técnico y de seguridad – Prueba de inclinación – Prueba de frenado y ruido	– Pista de pruebas (circuito en 8) – Sprint – Aceleración – Resistencia – Consumos

La carrera principal, considerada la parte de resistencia de las pruebas dinámicas, consta de 22 vueltas de un kilómetro cada una. El año pasado compitieron 60 equipos, pero sólo 20 utilizaron vehículos eléctricos. De esa minoría, sólo seis pasaron las verificaciones, lo que pone en perspectiva el próximo reto de UGRacing. Este año se espera que compitan 100 equipos, aunque aún no se ha desvelado la proporción entre vehículos de combustión interna y vehículos eléctricos.

Como ya se ha dicho, uno de los componentes más importantes de un VE es el rendimiento de la batería. Utilizando la simulación y los parámetros aproximados del coche de UGR23, el equipo calcula que su coche necesitará 7,5 kilovatios hora de batería para cruzar la línea de meta.

Las capacidades de modelado térmico de Fluent están ayudando al equipo a alcanzar este objetivo encontrando un equilibrio ideal en la temperatura de la batería para aumentar el rendimiento.

«Si la batería se calienta demasiado, se apagará, lo que interrumpiría instantáneamente todo el rendimiento», dice Waugh. «Pero al mismo tiempo, cuanto más calor se pueda rechazar del sistema, mayor será la corriente que pueda funcionar, lo que se correlaciona con una mayor potencia».

Herramientas para un equipo ganador

Muir afirma que algunos de los momentos más gratificantes para el equipo llegaron tras su victoria en 2022.

«Somos el equipo más laureado de la historia de Escocia, algo de lo que estamos muy orgullosos», afirma. «Nos encanta representar a Glasgow y a Escocia en su conjunto, y este año ha sido realmente emocionante ver cómo todo el país, incluidos todo tipo de equipos escoceses, empezaba a apoyarnos después de que ganáramos la competición el año pasado».

Ansys se dedica a garantizar la asequibilidad y accesibilidad de las herramientas de simulación y a promover la educación en ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas (STEM) para equipar a los ingenieros del mañana.

«El hecho de que tengamos acceso a estos increíbles productos sin coste alguno cambia las reglas del juego», añade. «Desgraciadamente, tendríamos dificultades para permitírnoslo sin la ayuda y generosidad de Ansys, y nuestro equipo no existiría sin la ayuda de nuestros socios como Ansys».