六座跑车的白车身设计：利用HyperWorks最大化车身刚度并满足强度要求

项目介绍

Clemson大学国际汽车研究中心(CUICAR)的“Deep Orange”项目是一个研究生汽车工程项目，它让学生沉浸于汽车行业工作环境中。学生、多学科学院和合作伙伴分工合作，用两年时间设计并制造了一辆新的原型车。每个项目都注重利用创新设计流程和工具来进行汽车开发，把设计结果和突破性的产品部件整合起来，也给学生提供了汽车设计和工程动手体验。Deep Orange项目是CUICAR的一部分，CUICAR更大的战略重点是进行跨学科研究，应对采用高级汽车设计技术和产品创新所带来的的行业和社会挑战。

Deep Orange项目和Altair 合作，利用高级计算机仿真方法设计他们的汽车。Altair 赞助实习和奖学金，并通过提供Altair HyperWorks 仿真技术的网络研讨会和现场教学帮助学生增长知识。CUICAR 的第三代原型车 “Deep Orange 3” 项目就是基于仿真设计一个例子。Deep Orange 3的特点是拥有基于创新的片材折叠技术的承重结构和独特的三加三座位配置。下面描述了这个设计，并总结了如何应用Altair HyperWorks 来满足结构性能要求。

挑战

Deep Orange 3 项目的目标是基于“针对Y一代市场的主流混合”概念而开发的一款车。该项目的主要赞助来自马自达北美运营商，Art Center College of Design是设计合作伙伴。独特室内座椅概念是由针对Y一代广泛的市场分析得来。六座位概念是为了容纳四位男性乘员在外侧座位（百分之九十五的男性可以坐下），和两位男性乘员在中间座位（百分之的五十可以坐下），用了两排座椅，每排三个的配置。

选择相应的白车身结构设计概念是为了探索工业折纸技术，这使更轻材料折叠成复杂车身结构件形状。成型是在装配位置使用简单廉价夹具完成的。开发白车身部件的几何、拓扑等功能需要设计专业的学生与结构专业的学生之间广泛的合作，也需要仔细平衡白车身刚度、包装空间、成本和重量设计要求。

解决方案

首先，利用折叠金属成形技术（FMT），从多次试验和实验中获得一个铝合金白车身设计。再造出一个卡板模型来证明折叠金属技术的可行性。这个可行性评估很重要，特别在高负载结构区域（支柱塔和车身前部安装点）。利用纸板模型的分析结果，折叠金属技术被利用到了前挤压结构、乘客地板区和后挤压结构。上身结构是铝管状构造，包括车顶和车身支柱。

从卡板模型制作中得出经验之后，用SolidWorks建立了白车身的CAD模型并导入HyperMesh中。所有的FMT结构件和空间管状框架结构都是用2D面网格建立的。较厚的白车身部件以及关键设计区域——前副车架安装到车身的位置，这些是用3D六面体网格划分的。

卡板模型与前座配置卡板避震塔模型 避震塔有限元模型

使用Altair OptiStruct有限元求解器完成了一系列深入的有限元分析，包括扭转和弯曲刚度分析、固有频率分析、动态壶洞以及加速凹凸载荷分析。 后续使用Altair HyperView后处理模块查看有限元分析结果，结果显示白车身设计符合项目对车身的刚度要求。对于前副车架的有限元分析，施加了动态加速度载荷以及制动和转弯工况模拟，结果显示应力不超过许用值。

上图: 完整的白车身CAD 模型 下图: 有限元结果，扭转刚度 白车身结构

结论

经过HyperWorks仿真分析，结果表明白车身底盘满足强度和刚度要求，在咨询了项目的主要供应商之后，队员们在该车上运用了所有这些结构。所有的FMT车身部件，包括前部子结构、底板、后部子结构都运用卡板模拟的经验完成了弯曲造型。完整的FMT 白车身设计完全应用铝合金和结构粘结剂。独特的3+3，双排座部件与仪表盘、方向盘以及动力总成控制驱动一同被安装完成。通过有限元模拟的用来支撑前发动机动力总成的前副车架被安装到前车身结构上。基于前轮驱动的四轮驱动概念的动力总成，4缸涡轮增压内燃机和电动机驱动后轮装置被安装完成。

总之，在Deep Orange 3 团队试图让白车身结构设计满足要求的过程中，Altair HyperMesh、OptiStruct以及HyperView发挥了重要作用。Imtiaz Haque博士（CUICAR执行董事）这样说，“在我们Deep Orange 3团队试图让设计满足刚度和强度要求的过程中，Altair HyperWorks系列软件是最有用的工具。” 跑车结构完成之后，在拉斯维加斯举办的年度美国改装车展（SEMA）上，Deep Orange 3跑车被成功展出。