項目介紹

    每年一屆的大學(xué)生方程式汽車大賽由英國機械工程師學(xué)會(IMechE)在英國一級方程式銀石賽道舉辦。來自世界38個國家/地區(qū)的178支報名隊伍將在2014年展開激烈的角逐。想要獲得勝利，各隊需要展現(xiàn)出他們在技術(shù)、工程、設(shè)計和制造方面的高超技藝。他們還要考慮到商業(yè)車賽的新發(fā)展方向，同時反映出該行業(yè)的挑戰(zhàn)和需求。在設(shè)計高速高效的先進賽車時，降低重量至關(guān)重要。車輛越輕，其加速和操控性能就會越好，而且還會提高燃油效率。

    杜倫大學(xué)電動賽車團隊(DUEM)是一支英國隊伍，由一群擅長設(shè)計、裝配和駕駛電動賽車的學(xué)生組成。該隊伍從工程系所有年級吸納了具有不同經(jīng)驗水平的成員。為參加車賽，學(xué)生們自發(fā)利用課外時間從事相關(guān)項目和技術(shù)工作。

    在2008年北美太陽能汽車挑戰(zhàn)賽上，這支隊伍獲得了“最佳新秀團隊”獎，最終在26支競爭隊伍中名列第14位。他們是唯一一支參與該項賽事的英國隊伍。在2011年于澳大利亞舉行的世界太陽能汽車挑戰(zhàn)賽上，他們在42支隊伍中名列第33位。

    這支隊伍計劃憑借全碳纖維單體式車殼和創(chuàng)新式空氣動力學(xué)設(shè)計參加2015年世界太陽能汽車挑戰(zhàn)賽。在報名參加英國大學(xué)生方程式汽車大賽和世界太陽能汽車挑戰(zhàn)賽之后，DUEM正在著手設(shè)計和裝配其首款1級大學(xué)生方程式賽車，這款賽車將于2014年夏季亮相銀石賽道。該車將完全依靠電力驅(qū)動，并配備鋼制空間管陣式車架、碳纖維車身和LiPO4電池，同時使用業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的空氣動力學(xué)軟件降低風(fēng)阻。

    DUEM車隊對自己的創(chuàng)新設(shè)計十分自豪。在2013年，他們成為首個設(shè)計出蓄熱式磁流變(MR)懸掛系統(tǒng)的2級大學(xué)生方程式車隊。他們在22支隊伍的競爭中披荊斬棘，排名第7。由于采用了MR懸掛系統(tǒng)，每個輪胎能夠流暢獨立地運轉(zhuǎn)，從而使車輛十分平穩(wěn)地行駛。該系統(tǒng)可與車輛的穩(wěn)定性控制系統(tǒng)相集成，以提高在砂石路面和濕滑路面上的穩(wěn)定性。

挑戰(zhàn)

    DUEM希望在該項目中展示出他們?nèi)绾瓮ㄟ^優(yōu)化立柱設(shè)計來應(yīng)對多個荷載工況，從而憑借最新的輕量化技術(shù)來提高賽車效率和速度。

    優(yōu)化立柱設(shè)計是一項復(fù)雜的任務(wù)，設(shè)計時需要考慮多種荷載工況，包括顛簸、過彎、制動和加速等荷載。要達到優(yōu)秀的動態(tài)響應(yīng)能力，降低簧下重量非常關(guān)鍵。立柱是汽車上的“重磅角色”，減少它的質(zhì)量不僅可以提高車輛的直線加速能力，還能夠改善過彎能力和防滑性。而要想實現(xiàn)制動器、軸承和輪輞中其它組件的有效組裝，幾何要素就顯得尤為重要了。如果從車輛安全角度出發(fā)，一旦懸掛系統(tǒng)發(fā)生故障，后果是很嚴(yán)重的。此外還要保證必要的剛度，這樣才能確保操控性良好，而且所有運動部件都能夠高效運轉(zhuǎn)。

    針對多個荷載工況的傳統(tǒng)迭代設(shè)計方法是，在每次迭代中都去除低應(yīng)力部分，但這通常都會很耗時。原始組件的設(shè)計花費了數(shù)周時間，而最終的解決方案卻在結(jié)構(gòu)效率方面差強人意。

圖1 最初流程并未產(chǎn)生最佳結(jié)果

解決方案

    作為Altair HyperWorks仿真軟件的現(xiàn)有用戶，DUEM團隊把目光投向了OptiStruct軟件，希望借其之力應(yīng)對這項挑戰(zhàn)。OptiStruct是Altair HyperWorks CAE軟件中提供的一款設(shè)計工具。OptiStruct可在設(shè)計過程早期利用拓撲優(yōu)化方法預(yù)測結(jié)構(gòu)的最佳形態(tài)，為依靠分析帶動的設(shè)計流程提供了極大便利，使設(shè)計人員可以在更短的設(shè)計周期內(nèi)完成更高效的設(shè)計。

    隨著設(shè)計流程往前推進，OptiStruct通過強大的形態(tài)和尺寸優(yōu)化功能來進一步提高設(shè)計性能。OptiStruct采用極為先進的優(yōu)化算法，可以在短時間內(nèi)通過數(shù)千種設(shè)計變量解決最為復(fù)雜的優(yōu)化難題。

    設(shè)計區(qū)域被導(dǎo)入OptiStruct并進行網(wǎng)格劃分。施加的荷載工況采用2g的顛簸加速度、1.6g的過彎加速度、1.6g的制動加速度，并對制動、顛簸和過彎等荷載工況進行組合。另外還施加了拔模方向等制造約束，從而確保最終的設(shè)計結(jié)果對于制造過程可行且合理。

    在不同的剛度目標(biāo)和應(yīng)力約束下得到了不同的結(jié)果，這時，便需要通過進行一系列仿真來研究所建議的幾何解決方案如何隨著這些目標(biāo)而變化。圖2中的拓撲優(yōu)化結(jié)果顯示了未施加拔模方向約束的模型，而圖3顯示的是施加了制造約束的模型。高密度構(gòu)件顯示為紅色，表示如果可行區(qū)域進一步延伸至該空間，則結(jié)果更佳。這通過將制動盤進一步向外移動來實現(xiàn)，這樣會減小應(yīng)力。

圖2 未施加拔模方向約束

圖3 施加了拔模方向約束

    OptiStruct縮短了CAE-CAD迭代的整體設(shè)計周期，并實現(xiàn)了設(shè)計改進。它所提供的優(yōu)化解決方案通過單次分析便會將多種荷載情形計入在內(nèi)。

    通過四面體網(wǎng)格算法可以快速完成網(wǎng)格劃分，而無需經(jīng)過一個全面徹底又耗時的過程。構(gòu)件質(zhì)量檢驗功能易于使用，可幫助確保所獲得結(jié)果的有效性。而通過邊緣檢驗器還可以驗證拓撲結(jié)果中是否出現(xiàn)內(nèi)部空洞。

    制造約束非常簡單易用，這使該軟件所產(chǎn)生的結(jié)果僅通過一臺3軸銑床便可以進行加工制造，從而提高了成本效益。

    設(shè)計結(jié)果十分易于解釋；通過構(gòu)件密度繪圖器可以清晰掌握當(dāng)前情況，并找出設(shè)計中可以改進之處。這為該團隊提供了大量實用信息，對他們的設(shè)計給予了極大的幫助。

圖4 OptiStruct顯著縮短了設(shè)計周期，與手動方法相比，讓整個設(shè)計工作更加全面周密

結(jié)論

    DUEM已經(jīng)選擇Altair作為戰(zhàn)略合作伙伴，幫助他們實施仿真驅(qū)動設(shè)計流程。他們希望通過分別使用MotionSolve和針對多體動力學(xué)(MBD)的新型虛擬風(fēng)洞（Virtual Wind Tunnel）等Altair工具以及外部車輛空氣動力學(xué)研究來擴展仿真的使用范圍。

    Altair為這支大學(xué)生方程式車隊提供了HyperWorks平臺贊助，從而可以大幅改進他們的設(shè)計和裝配過程。在Altair的幫助下，學(xué)生們有機會與汽車和賽車行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)體驗同樣的技術(shù)，并且通過親身實踐對真實世界中的工程學(xué)領(lǐng)域有了更深入的了解。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

轉(zhuǎn)載請注明出處：拓步ERP資訊網(wǎng)http://m.vmgcyvh.cn/

本文標(biāo)題：大學(xué)生方程式賽車借助OptiStruct實現(xiàn)輕量化和燃料效率最大化

本文網(wǎng)址：http://m.vmgcyvh.cn/html/solutions/14019314030.html