HyperWorks 迎接节能赛车的严峻挑战

2016-11-22 by:CAE仿真在线来源:互联网

项目介绍

壳牌汽车环保马拉松赛是一个分别在美洲、欧洲和亚洲举办的面向全球的教育项目,旨在要求下一代从不同的角度看待能源及我们使用能源的方式。“原型车”组别赛的是未来概念车型,这是采用减少阻力等创新手段实现燃油效率最大化的流线型汽车。参赛车辆为单座式,配有三到四个车轮,驾驶区域或开放或封闭。“城市概念车”组别更关注适于普通道路行驶的高效节能车。出于实用性考虑,此类参赛车辆与普通车辆更为接近。

同济大学志远车队的原型车同时参加 Honda 日本节能竞技大赛和 Honda 中国节能竞技大赛。Honda 节能竞技大赛由 Honda 创始人本田宗一郎先生发起,于 1981 年在日本创办,每年都有超过 500 支车队参加比赛。自 2007年 Honda 节能竞技大赛来到中国成为 Honda 中国节能竞技大赛,至今为止已经成功举办了 8 届。比赛搭载 Honda 统一提供的 125cc 低油耗 4 冲程发动机, 车架和车身等则由各车队独立创作完成,最终以燃油的消耗量多少而一决胜负。
近年来,志远车队在所参加的三项比赛中都表现出色。这一成绩均得益于赛车生产之前 HyperWorks 软件在设计方案模拟和车辆减重方面的应用。原型车与城市概念车的诸多技术环节虽然不同,但在 HyperWorks 应用上都获得了显著的成效。

挑战

对于节能竞技的项目而言,在保证刚度的前提下,车辆总重尽可能地减少, 势必将带来油耗上的优势。因此志远车队采用 OptiStruct,HyperWorks 中基于有限元方法的结构优化工具,对他们的设计方案进行分析和优化,并在最近几个赛季开始着手尝试复合材料的有限元分析,在两种车型上都取得了显著的优化效果。

志远车队每年都会设计生产一辆原型车,每三年设计生产一辆城市概念车。原型车的总重最终目标大约为 50kg,
而体积更大的城市概念车的重量目标定位在 75kg。这就要求赛车在设计之初就要充分考虑减重这一问题。由于空气动力学因素的影响,车壳的改进减重空间有限,并且发动机由赛会指定,于是学生们将重点放在了车架和车辆传动零件的减重上。然而有限的经费与紧张的备赛时间,使得他们必须寻找除了多次物理实验之外,可靠的设计方法。比起对以往零件的优化,全新设计的车架和零件,在缺少分析结果支持的情况下,无异于盲目的冒险。而依靠 OptiStruct 的帮助,学生们可以在赛车制造之前设计出足够轻并且有足够刚度的零件。

解决方案

利用 OptiStruct 志远车队在原型车和城市概念车两种车型上都取得了整车结构的新突破。相对往年赛车,志远车队使用仿真和优化工具,不仅实现了相关零件的减重,更是在 2014 年制造的原型车上首
次实现了全承载车身。这一技术突破,不仅可以通过将原先的铝制车架换为碳纤维复合材料制成的车架实现整车的进一步减重,而且在加工商的协助下,车架和车壳可以一次加工成型,大大简化了赛车制造工艺。

在志远车队,减重设计贯穿了赛车设计的整个过程,这已经不再是某几个队员的工作,更是技术组之间需要一同协调完成的重大工作。在近几个赛季,传动组通过与整车组的合作,实现了链传动链轮的结构优化,大大减轻了链轮的重量。前期在 Catia 中建模,使用 HyperMesh 进行网格划分,并在 OptiStruct 中进行结构优化,最后通过 HyperView和 OSSmooth 功能获得便于加工的轻量化零件。通过这一快捷的设计流程,学生们能够迅速获得一个满足功能和刚度要求且重量最优的零件。目前,两组的队员们将下一个优化设计目标锁定在了转向前桥上。他们希望通过材料与结构两方面的共同优化,获得一个强度更高、重量更轻的前桥。

HyperWorks 在原型车设计上的应用并不仅仅是减重。利用 HyperMesh 强大的网格划分能力和良好的输出兼容性,志远车队的队员们也将 HyperMesh 运用于其他分析的前处理上。在已划分好的流场网格中导入质量更高的车壳网格,将使得流体的分析结果更为准确。

志远车队在 2015 年的城市概念车上首次尝试了利用 OptiStruct 设计车架。通过有限元模型的建立,车队成员以应力约束下的拓扑优化的结果为基础,结合铝架焊接工艺和内部零件安装,得到了初步的车架布置方案。在车架数模
完善后,再次使用板桥单元验算承重能力,以确定车架的应力和位移都满足预期要求。

志远车队下一步的目标是设计出全承载车身的城市概念车,这同样离不开 HyperWorks 的分析支持。在 Altair 工程团队的支持下,学生们也在进行 RADIOSS 显式分析、connector 模块焊点建模分析、OptiStruct 动力学分析等方面的探索,进一步寻找可能的减重空间。

结论
志远车队一直都致力于原型车与城市概念车的减重,并通过合理可靠的仿真结果,以改善他们的设计和生产流程。对于原型车来说,利用 HyperWorks 仿真的设计流程已经使他们在原有的技术基础上取得了全新的突破,并将继续帮助他们设计出更轻更节能的赛车。同时对于城市概念车,车架的减重优化设计意味着车重的显著降低,这将使得赛车的油耗大大降低。

显然,HyperWorks 的使用对同济大学志远车队的成功产生了积极的影响。利用 HyperWorks 及其结构优化工具
OptiStruct,志远车队能够:

实现在保持结构和车身原有刚度的情况下,原型车链轮单个零件减重达 70%,整车减重 10%;城市概念车减重约 12%
加速研发进程,节省了时间和成本
节省了材料使用和减少了物理试验次数
在节能竞技比赛中多次荣获第一

2014 年志远车队在 Honda 中国节能竞技大赛中获得第一名及第三名的好成绩。2015 年的 Honda 日本节能竞技大赛中,志远车队更是取得了参加此项赛事来的第一个冠军。
而全新设计的城市概念车也将于 2016 年 3 月踏上菲律宾的壳牌环保马拉松亚洲赛赛场,力争取得新的成绩突破。