HyperWorks 迎接節能賽車的嚴峻挑戰

2016-11-22 by:CAE仿真在線來源:互聯網

項目介紹

殼牌汽車環保馬拉松賽是一個分別在美洲、歐洲和亞洲舉辦的面向全球的教育項目,旨在要求下一代從不同的角度看待能源及我們使用能源的方式。“原型車”組別賽的是未來概念車型,這是采用減少阻力等創新手段實現燃油效率最大化的流線型汽車。參賽車輛為單座式,配有三到四個車輪,駕駛區域或開放或封閉。“城市概念車”組別更關注適于普通道路行駛的高效節能車。出于實用性考慮,此類參賽車輛與普通車輛更為接近。

同濟大學志遠車隊的原型車同時參加 Honda 日本節能競技大賽和 Honda 中國節能競技大賽。Honda 節能競技大賽由 Honda 創始人本田宗一郎先生發起,于 1981 年在日本創辦,每年都有超過 500 支車隊參加比賽。自 2007年 Honda 節能競技大賽來到中國成為 Honda 中國節能競技大賽,至今為止已經成功舉辦了 8 屆。比賽搭載 Honda 統一提供的 125cc 低油耗 4 沖程發動機, 車架和車身等則由各車隊獨立創作完成,最終以燃油的消耗量多少而一決勝負。
近年來,志遠車隊在所參加的三項比賽中都表現出色。這一成績均得益于賽車生產之前 HyperWorks 軟件在設計方案模擬和車輛減重方面的應用。原型車與城市概念車的諸多技術環節雖然不同,但在 HyperWorks 應用上都獲得了顯著的成效。

挑戰

對于節能競技的項目而言,在保證剛度的前提下,車輛總重盡可能地減少, 勢必將帶來油耗上的優勢。因此志遠車隊采用 OptiStruct,HyperWorks 中基于有限元方法的結構優化工具,對他們的設計方案進行分析和優化,并在最近幾個賽季開始著手嘗試復合材料的有限元分析,在兩種車型上都取得了顯著的優化效果。

志遠車隊每年都會設計生產一輛原型車,每三年設計生產一輛城市概念車。原型車的總重最終目標大約為 50kg,
而體積更大的城市概念車的重量目標定位在 75kg。這就要求賽車在設計之初就要充分考慮減重這一問題。由于空氣動力學因素的影響,車殼的改進減重空間有限,并且發動機由賽會指定,于是學生們將重點放在了車架和車輛傳動零件的減重上。然而有限的經費與緊張的備賽時間,使得他們必須尋找除了多次物理實驗之外,可靠的設計方法。比起對以往零件的優化,全新設計的車架和零件,在缺少分析結果支持的情況下,無異于盲目的冒險。而依靠 OptiStruct 的幫助,學生們可以在賽車制造之前設計出足夠輕并且有足夠剛度的零件。

解決方案

利用 OptiStruct 志遠車隊在原型車和城市概念車兩種車型上都取得了整車結構的新突破。相對往年賽車,志遠車隊使用仿真和優化工具,不僅實現了相關零件的減重,更是在 2014 年制造的原型車上首
次實現了全承載車身。這一技術突破,不僅可以通過將原先的鋁制車架換為碳纖維復合材料制成的車架實現整車的進一步減重,而且在加工商的協助下,車架和車殼可以一次加工成型,大大簡化了賽車制造工藝。

在志遠車隊,減重設計貫穿了賽車設計的整個過程,這已經不再是某幾個隊員的工作,更是技術組之間需要一同協調完成的重大工作。在近幾個賽季,傳動組通過與整車組的合作,實現了鏈傳動鏈輪的結構優化,大大減輕了鏈輪的重量。前期在 Catia 中建模,使用 HyperMesh 進行網格劃分,并在 OptiStruct 中進行結構優化,最后通過 HyperView和 OSSmooth 功能獲得便于加工的輕量化零件。通過這一快捷的設計流程,學生們能夠迅速獲得一個滿足功能和剛度要求且重量最優的零件。目前,兩組的隊員們將下一個優化設計目標鎖定在了轉向前橋上。他們希望通過材料與結構兩方面的共同優化,獲得一個強度更高、重量更輕的前橋。

HyperWorks 在原型車設計上的應用并不僅僅是減重。利用 HyperMesh 強大的網格劃分能力和良好的輸出兼容性,志遠車隊的隊員們也將 HyperMesh 運用于其他分析的前處理上。在已劃分好的流場網格中導入質量更高的車殼網格,將使得流體的分析結果更為準確。

志遠車隊在 2015 年的城市概念車上首次嘗試了利用 OptiStruct 設計車架。通過有限元模型的建立,車隊成員以應力約束下的拓撲優化的結果為基礎,結合鋁架焊接工藝和內部零件安裝,得到了初步的車架布置方案。在車架數模
完善后,再次使用板橋單元驗算承重能力,以確定車架的應力和位移都滿足預期要求。

志遠車隊下一步的目標是設計出全承載車身的城市概念車,這同樣離不開 HyperWorks 的分析支持。在 Altair 工程團隊的支持下,學生們也在進行 RADIOSS 顯式分析、connector 模塊焊點建模分析、OptiStruct 動力學分析等方面的探索,進一步尋找可能的減重空間。

結論
志遠車隊一直都致力于原型車與城市概念車的減重,并通過合理可靠的仿真結果,以改善他們的設計和生產流程。對于原型車來說,利用 HyperWorks 仿真的設計流程已經使他們在原有的技術基礎上取得了全新的突破,并將繼續幫助他們設計出更輕更節能的賽車。同時對于城市概念車,車架的減重優化設計意味著車重的顯著降低,這將使得賽車的油耗大大降低。

顯然,HyperWorks 的使用對同濟大學志遠車隊的成功產生了積極的影響。利用 HyperWorks 及其結構優化工具
OptiStruct,志遠車隊能夠:

實現在保持結構和車身原有剛度的情況下,原型車鏈輪單個零件減重達 70%,整車減重 10%;城市概念車減重約 12%
加速研發進程,節省了時間和成本
節省了材料使用和減少了物理試驗次數
在節能競技比賽中多次榮獲第一

2014 年志遠車隊在 Honda 中國節能競技大賽中獲得第一名及第三名的好成績。2015 年的 Honda 日本節能競技大賽中,志遠車隊更是取得了參加此項賽事來的第一個冠軍。
而全新設計的城市概念車也將于 2016 年 3 月踏上菲律賓的殼牌環保馬拉松亞洲賽賽場,力爭取得新的成績突破。