HyperWorks 迎接節(jié)能賽車的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)

2016-11-22 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

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項(xiàng)目介紹

殼牌汽車環(huán)保馬拉松賽是一個(gè)分別在美洲、歐洲和亞洲舉辦的面向全球的教育項(xiàng)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?！霸?型車”組別賽的是未來(lái)概念車型,這是采用減少阻力等創(chuàng)新手段實(shí)現(xiàn)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(gè)車輪,駕駛區(qū)域或開放或封閉。“城市概念車”組別更關(guān)注適于普通道路行駛的高效節(jié)能車。出于實(shí)用性考慮,此類參賽車輛與普通車輛更為接近。

同濟(jì)大學(xué)志遠(yuǎn)車隊(duì)的原型車同時(shí)參加 Honda 日本節(jié)能競(jìng)技大賽和 Honda 中國(guó)節(jié)能競(jìng)技大賽。Honda 節(jié)能競(jìng)技大賽由 Honda 創(chuàng)始人本田宗一郎先生發(fā) 起,于 1981 年在日本創(chuàng)辦,每年都有超過(guò) 500 支車隊(duì)參加比賽。自 2007年 Honda 節(jié)能競(jìng)技大賽來(lái)到中國(guó)成為 Honda 中國(guó)節(jié)能競(jìng)技大賽,至今為止已經(jīng) 成功舉辦了 8 屆。比賽搭載 Honda 統(tǒng)一提供的 125cc 低油耗 4 沖程發(fā)動(dòng)機(jī), 車架和車身等則由各車隊(duì)獨(dú)立創(chuàng)作完成,最終以燃油的消耗量多少而一決勝負(fù)。
近年來(lái),志遠(yuǎn)車隊(duì)在所參加的三項(xiàng)比賽中都表現(xiàn)出色。這一成績(jī)均得益于賽車生產(chǎn)之前 HyperWorks 軟件在設(shè)計(jì)方案模擬和車輛減重方面的應(yīng)用。原型車與城市概念車的諸多技術(shù)環(huán)節(jié)雖然不同,但在 HyperWorks 應(yīng)用上都獲得了顯著的成效。

挑戰(zhàn)

對(duì)于節(jié)能競(jìng)技的項(xiàng)目而言,在保證剛度的前提下,車輛總重盡可能地減少, 勢(shì)必將帶來(lái)油耗上的優(yōu)勢(shì)。因此志遠(yuǎn)車隊(duì)采用 OptiStruct,HyperWorks 中基于有限元方法的結(jié)構(gòu)優(yōu)化工具,對(duì)他們的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析和優(yōu)化,并在最近幾個(gè)賽季開始著手嘗試復(fù)合材料的有限元分析,在兩種車型上都取得了顯著的優(yōu) 化效果。

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志遠(yuǎn)車隊(duì)每年都會(huì)設(shè)計(jì)生產(chǎn)一輛原型車,每三年設(shè)計(jì)生產(chǎn)一輛城市概念車。原型車的總重最終目標(biāo)大約為 50kg,
而體積更大的城市概念車的重量目標(biāo)定位在 75kg。這就要求賽車在設(shè)計(jì)之初就要充分考慮減重這一問(wèn)題。由于空氣動(dòng)力學(xué)因素的影響,車殼的改進(jìn)減重空間有限,并且發(fā)動(dòng)機(jī)由賽會(huì)指定,于是學(xué)生們將重點(diǎn)放在了車架和車輛傳動(dòng)零件的減重上。然而有限的經(jīng)費(fèi)與緊張的備賽時(shí)間,使得他們必須尋找除了多次物理實(shí)驗(yàn)之外,可靠的設(shè) 計(jì)方法。比起對(duì)以往零件的優(yōu)化,全新設(shè)計(jì)的車架和零件,在缺少分析結(jié)果支持的情況下,無(wú)異于盲目的冒險(xiǎn)。而依靠 OptiStruct 的幫助,學(xué)生們可以在賽車制造之前設(shè)計(jì)出足夠輕并且有足夠剛度的零件。

解決方案

利用 OptiStruct 志遠(yuǎn)車隊(duì)在原型車和城市概念車兩種車型上都取得了整車結(jié)構(gòu)的新突破。相對(duì)往年賽車,志遠(yuǎn)車隊(duì)使用仿真和優(yōu)化工具,不僅實(shí)現(xiàn)了相關(guān)零件的減重,更是在 2014 年制造的原型車上首
次實(shí)現(xiàn)了全承載車身。這一技術(shù)突破,不僅可以通過(guò)將原先的鋁制車架換為碳纖維復(fù)合材料制成的車架實(shí)現(xiàn)整車的進(jìn) 一步減重,而且在加工商的協(xié)助下,車架和車殼可以一次加工成型,大大簡(jiǎn)化了賽車制造工藝。

在志遠(yuǎn)車隊(duì),減重設(shè)計(jì)貫穿了賽車設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程,這已經(jīng)不再是某幾個(gè)隊(duì)員的工作,更是技術(shù)組之間需要一同協(xié)調(diào)完成的重大工作。在近幾個(gè)賽季,傳動(dòng)組通過(guò)與整車組的合作,實(shí)現(xiàn)了鏈傳動(dòng)鏈輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,大大減輕了鏈輪的重量。前期在 Catia 中建模,使用 HyperMesh 進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并在 OptiStruct 中進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,最后通過(guò) HyperView和 OSSmooth 功能獲得便于加工的輕量化零件。通過(guò)這一快捷的設(shè)計(jì)流程,學(xué)生們能夠迅速獲得一個(gè)滿足功能和剛度要求且重量最優(yōu)的零件。目前,兩組的隊(duì)員們將下一個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)鎖定在了轉(zhuǎn)向前橋上。他們希望通過(guò)材料與結(jié) 構(gòu)兩方面的共同優(yōu)化,獲得一個(gè)強(qiáng)度更高、重量更輕的前橋。

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HyperWorks 在原型車設(shè)計(jì)上的應(yīng)用并不僅僅是減重。利用 HyperMesh 強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分能力和良好的輸出兼容性,志遠(yuǎn)車隊(duì)的隊(duì)員們也將 HyperMesh 運(yùn)用于其他分析的前處理上。在已劃分好的流場(chǎng)網(wǎng)格中導(dǎo)入質(zhì)量更高的車殼網(wǎng)格,將使得流體的分析結(jié)果更為準(zhǔn)確。

志遠(yuǎn)車隊(duì)在 2015 年的城市概念車上首次嘗試了利用 OptiStruct 設(shè)計(jì)車架。通過(guò)有限元模型的建立,車隊(duì)成員以應(yīng)力約束下的拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果為基礎(chǔ),結(jié)合鋁架焊接工藝和內(nèi)部零件安裝,得到了初步的車架布置方案。在車架數(shù)模
完善后,再次使用板橋單元驗(yàn)算承重能力,以確定車架的應(yīng)力和位移都滿足預(yù)期要求。

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志遠(yuǎn)車隊(duì)下一步的目標(biāo)是設(shè)計(jì)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(tuán)隊(duì)的支持下,學(xué)生們也在進(jìn)行 RADIOSS 顯式分析、connector 模塊焊點(diǎn)建模分析、OptiStruct 動(dòng)力學(xué)分析等方面的探索,進(jìn)一步尋找可能的減重空間。

結(jié)論
志遠(yuǎn)車隊(duì)一直都致力于原型車與城市概念車的減重,并通過(guò)合理可靠的仿真結(jié)果,以改善他們的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)流程。對(duì)于原型車來(lái)說(shuō),利用 HyperWorks 仿真的設(shè)計(jì)流程已經(jīng)使他們?cè)谠械募夹g(shù)基礎(chǔ)上取得了全新的突破,并將繼續(xù)幫助他們?cè)O(shè)計(jì)出更輕更節(jié)能的賽車。同時(shí)對(duì)于城市概念車,車架的減重優(yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)同濟(jì)大學(xué)志遠(yuǎn)車隊(duì)的成功產(chǎn)生了積極的影響。利用 HyperWorks 及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化工具
OptiStruct,志遠(yuǎn)車隊(duì)能夠:

實(shí)現(xiàn)在保持結(jié)構(gòu)和車身原有剛度的情況下,原型車鏈輪單個(gè)零件減重達(dá) 70%,整車減重 10%;城市概念車減重約 12%
加速研發(fā)進(jìn)程,節(jié)省了時(shí)間和成本
節(jié)省了材料使用和減少了物理試驗(yàn)次數(shù)
在節(jié)能競(jìng)技比賽中多次榮獲第一

2014 年志遠(yuǎn)車隊(duì)在 Honda 中國(guó)節(jié)能競(jìng)技大賽中獲得第一名及第三名的好成績(jī)。2015 年的 Honda 日本節(jié)能競(jìng)技大賽中,志遠(yuǎn)車隊(duì)更是取得了參加此項(xiàng)賽事來(lái)的第一個(gè)冠軍。
而全新設(shè)計(jì)的城市概念車也將于 2016 年 3 月踏上菲律賓的殼牌環(huán)保馬拉松亞洲賽賽場(chǎng),力爭(zhēng)取得新的成績(jī)突破。