搜索基于OptiStruct的FSC賽車懸架搖臂的拓撲優化
2017-02-15 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
摘要:FSC賽車的懸架搖臂是懸架的重要零部件,在賽車行駛過程中承受著來自懸架拉桿,彈簧和橫向穩定桿的力,受力情況復雜,所以其結構的設計尤為重要。本文利用OptiStruct軟件對懸架搖臂進行拓撲優化分析,優化結構,使其在保證強度的情況下實現最佳的輕量化效果。
引言
作為由學生自主研發制作的一輛賽車,FSC賽車的輕量化是其重要的設計目標。但是FSC賽車相對于乘用車來說,研發周期較短,實驗條件不足,所以合理運用CAE技術顯得尤為重要。而Altair公司的OptiStruct軟件以其強大的結構優化能力能夠幫助我們合理改進零部件的結構,優化零部件的載荷傳遞路徑,在保證強度和剛度的前提下達到輕量化的設計目標。本文運用OptiStruct的拓撲優化功能,對懸架系統的重要零部件——搖臂進行拓撲優化,優化結構。
1 有限元模型建立
導入幾何模型如圖一所示:下面左側孔通過滾針軸承與車架吊耳相連。另外三個孔分別與螺旋彈簧,橫向穩定桿和懸架拉桿相連。
運用HyperMesh進行模型的前處理,為了方便進行結構優化,在網格劃分的時候將模型分為設計區和非設計區。同時將模型進行處理,使其便于進行映射網格劃分,使得絕大部分的網格為結構化網格,部分網格為棱柱單元,設定單元尺寸為1.5mm。劃分得到的最終模型如圖二所示:其中藍色部分為非設計區,紅色部分為設計區。最終得到的網格數量為6569,節點數量為10543。
圖2 有限元模型
搖臂材料為40Cr,彈性模量為2.11e5MPa,泊松比為0.277,在HyperMesh中定義相應的材料屬性。
計算賽車在極限工況下搖臂的受力情況,我們根據實際情況,對搖臂時間彈簧機橫向穩定桿的力,通過rbe3柔性連接單元施加到相應的孔上。并施加相應的邊界條件,最終的邊界條件和載荷如圖所示:
圖3 邊界條件及載荷
2 靜力學分析
搖臂進行材料屬性,單元屬性,邊界條件和載荷步的設置之后運用RADIOSS進行靜力學分析。得到如下結果:
圖5 應力云圖
由應力云圖可知,最大變形量為0.0754mm,大應力為103.9MPa,40Cr的屈服強度為785MPa,零件存在強度過剩現象,不利于輕量化。接下來我們將對零件進行拓撲優化。
3 拓撲優化
3.1定義拓撲優化的設計變量
定義設計區的“單元密度”為設計變量。考慮到搖臂是采用上下兩片線切割,最后再與軸承座焊接在一起,所以可以定義拔模方向為y方向,同時考慮到工藝學,定義最小成員尺寸為5mm。同時取安全系數為2。則最大應力不能超過392.5MPa。設置應力約束為392.5MPa。
3.2定義目標函數和約束條件
零件的剛度不能太小,否則會影響懸架的剛度特性。考慮到如果設置某一節點的位移為約束條件,則其他節點處的位移會過大,而且在計算前,發生最大位移的可能節點未知。所以我們設置靜態柔度為響應變量而非位移。
創建體積分數的響應volumefrac和靜態柔度的響應compliance。設置體積分數為約束條件并設置其上限為0.6,即減重40%。設置靜態柔度為目標函數,優化目標為靜態柔度最小即剛度最大。設置完成之后進行拓撲優化。通過39次迭代之后,得到零件各部分的單元密度如圖6 所示:
圖6 單元密度
計算完成之后運用OSSmooth導出優化之后的模型,在CAD軟件中在根據實際加工情況進行修改模型,得到如下圖所示的模型:
圖7 優化后模型
對優化后模型進行靜力學分析,得到如下結果:
圖8 優化后變形
圖9優化后應力
可知,優化后的最大變形為0.221mm,最大應力為249MPa。雖然最大變形和應力都有所增大,但是在允許范圍內。整個零件的質量由原來的180g減到114g,減重比大36.7%。基本達到了預期目標,存在誤差是因為重新設計的模型與拓撲優化得到的最初模型存在誤差。
4 結論
運用OptiStruct拓撲優化模塊,我們在保證搖臂的強度和剛度的情況下,在優化過程中充分考慮了零部件的工藝性,實現了搖臂的輕量化,最終減重比大36.7%。后期的實車測試也充分驗證了零部件的可靠性,也從側面說明了AltairOptiStruct軟件強大的結構優化功能以及對于FSC賽車設計的重要意義。
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