項(xiàng)目介紹

    每年一屆的大學(xué)生方程式汽車大賽由英國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)(IMechE)在英國(guó)一級(jí)方程式銀石賽道舉辦。來(lái)自世界38個(gè)國(guó)家/地區(qū)的178支報(bào)名隊(duì)伍將在2014年展開激烈的角逐。想要獲得勝利，各隊(duì)需要展現(xiàn)出他們?cè)诩夹g(shù)、工程、設(shè)計(jì)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(shí)反映出該行業(yè)的挑戰(zhàn)和需求。在設(shè)計(jì)高速高效的先進(jìn)賽車時(shí)，降低重量至關(guān)重要。車輛越輕，其加速和操控性能就會(huì)越好，而且還會(huì)提高燃油效率。

    杜倫大學(xué)電動(dòng)賽車團(tuán)隊(duì)(DUEM)是一支英國(guó)隊(duì)伍，由一群擅長(zhǎng)設(shè)計(jì)、裝配和駕駛電動(dòng)賽車的學(xué)生組成。該隊(duì)伍從工程系所有年級(jí)吸納了具有不同經(jīng)驗(yàn)水平的成員。為參加車賽，學(xué)生們自發(fā)利用課外時(shí)間從事相關(guān)項(xiàng)目和技術(shù)工作。

    在2008年北美太陽(yáng)能汽車挑戰(zhàn)賽上，這支隊(duì)伍獲得了“最佳新秀團(tuán)隊(duì)”獎(jiǎng)，最終在26支競(jìng)爭(zhēng)隊(duì)伍中名列第14位。他們是唯一一支參與該項(xiàng)賽事的英國(guó)隊(duì)伍。在2011年于澳大利亞舉行的世界太陽(yáng)能汽車挑戰(zhàn)賽上，他們?cè)?2支隊(duì)伍中名列第33位。

    這支隊(duì)伍計(jì)劃憑借全碳纖維單體式車殼和創(chuàng)新式空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)參加2015年世界太陽(yáng)能汽車挑戰(zhàn)賽。在報(bào)名參加英國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽和世界太陽(yáng)能汽車挑戰(zhàn)賽之后，DUEM正在著手設(shè)計(jì)和裝配其首款1級(jí)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(dòng)，并配備鋼制空間管陣式車架、碳纖維車身和LiPO4電池，同時(shí)使用業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的空氣動(dòng)力學(xué)軟件降低風(fēng)阻。

    DUEM車隊(duì)對(duì)自己的創(chuàng)新設(shè)計(jì)十分自豪。在2013年，他們成為首個(gè)設(shè)計(jì)出蓄熱式磁流變(MR)懸掛系統(tǒng)的2級(jí)大學(xué)生方程式車隊(duì)。他們?cè)?2支隊(duì)伍的競(jìng)爭(zhēng)中披荊斬棘，排名第7。由于采用了MR懸掛系統(tǒng)，每個(gè)輪胎能夠流暢獨(dú)立地運(yùn)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(xiàng)目中展示出他們?nèi)绾瓮ㄟ^(guò)優(yōu)化立柱設(shè)計(jì)來(lái)應(yīng)對(duì)多個(gè)荷載工況，從而憑借最新的輕量化技術(shù)來(lái)提高賽車效率和速度。

    優(yōu)化立柱設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮多種荷載工況，包括顛簸、過(guò)彎、制動(dòng)和加速等荷載。要達(dá)到優(yōu)秀的動(dòng)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(guò)彎能力和防滑性。而要想實(shí)現(xiàn)制動(dòng)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(yùn)動(dòng)部件都能夠高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

    針對(duì)多個(gè)荷載工況的傳統(tǒng)迭代設(shè)計(jì)方法是，在每次迭代中都去除低應(yīng)力部分，但這通常都會(huì)很耗時(shí)。原始組件的設(shè)計(jì)花費(fèi)了數(shù)周時(shí)間，而最終的解決方案卻在結(jié)構(gòu)效率方面差強(qiáng)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(tuán)隊(duì)把目光投向了OptiStruct軟件，希望借其之力應(yīng)對(duì)這項(xiàng)挑戰(zhàn)。OptiStruct是Altair HyperWorks CAE軟件中提供的一款設(shè)計(jì)工具。OptiStruct可在設(shè)計(jì)過(guò)程早期利用拓?fù)鋬?yōu)化方法預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的最佳形態(tài)，為依靠分析帶動(dòng)的設(shè)計(jì)流程提供了極大便利，使設(shè)計(jì)人員可以在更短的設(shè)計(jì)周期內(nèi)完成更高效的設(shè)計(jì)。

    隨著設(shè)計(jì)流程往前推進(jìn)，OptiStruct通過(guò)強(qiáng)大的形態(tài)和尺寸優(yōu)化功能來(lái)進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)性能。OptiStruct采用極為先進(jìn)的優(yōu)化算法，可以在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)數(shù)千種設(shè)計(jì)變量解決最為復(fù)雜的優(yōu)化難題。

    設(shè)計(jì)區(qū)域被導(dǎo)入OptiStruct并進(jìn)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(guò)彎加速度、1.6g的制動(dòng)加速度，并對(duì)制動(dòng)、顛簸和過(guò)彎等荷載工況進(jìn)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(jì)結(jié)果對(duì)于制造過(guò)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(shí)，便需要通過(guò)進(jìn)行一系列仿真來(lái)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?fù)鋬?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(jìn)一步延伸至該空間，則結(jié)果更佳。這通過(guò)將制動(dòng)盤進(jìn)一步向外移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣會(huì)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(jì)周期，并實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)改進(jìn)。它所提供的優(yōu)化解決方案通過(guò)單次分析便會(huì)將多種荷載情形計(jì)入在內(nèi)。

    通過(guò)四面體網(wǎng)格算法可以快速完成網(wǎng)格劃分，而無(wú)需經(jīng)過(guò)一個(gè)全面徹底又耗時(shí)的過(guò)程。構(gòu)件質(zhì)量檢驗(yàn)功能易于使用，可幫助確保所獲得結(jié)果的有效性。而通過(guò)邊緣檢驗(yàn)器還可以驗(yàn)證拓?fù)浣Y(jié)果中是否出現(xiàn)內(nèi)部空洞。

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

    設(shè)計(jì)結(jié)果十分易于解釋；通過(guò)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(jì)中可以改進(jìn)之處。這為該團(tuán)隊(duì)提供了大量實(shí)用信息，對(duì)他們的設(shè)計(jì)給予了極大的幫助。

圖4 OptiStruct顯著縮短了設(shè)計(jì)周期，與手動(dòng)方法相比，讓整個(gè)設(shè)計(jì)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(shí)施仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)流程。他們希望通過(guò)分別使用MotionSolve和針對(duì)多體動(dòng)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(dòng)力學(xué)研究來(lái)擴(kuò)展仿真的使用范圍。

    Altair為這支大學(xué)生方程式車隊(duì)提供了HyperWorks平臺(tái)贊助，從而可以大幅改進(jìn)他們的設(shè)計(jì)和裝配過(guò)程。在Altair的幫助下，學(xué)生們有機(jī)會(huì)與汽車和賽車行業(yè)領(lǐng)先企業(yè)體驗(yàn)同樣的技術(shù)，并且通過(guò)親身實(shí)踐對(duì)真實(shí)世界中的工程學(xué)領(lǐng)域有了更深入的了解。

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

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