为边境巡逻车设计创新的、最小重量的复合材料结构

项目介绍

越野巡逻车穿梭在美国和墨西哥边境，管理和限制非法移民的数量。两地边界地形复杂，巡逻车需要经常高速行驶在崎岖的岩石路上，这对越野车性能要求相当高。车辆经历着一系列艰苦的路况条件，远远超出了正常越野车承受的极限。现有美国边境的巡逻车仅仅只能使用6个月就报废了。

挑战

最近研发的边境巡逻车的样车旨在改进现有车辆六个月的最高使用期限，并且仍能满足所需性能。研究结果是积极的，进一步性能和使用期限的改善可以通过减重和加强底盘耐久性来实现。这些方面的改进会使经营总成本降低。

美国陆军坦克与机动车辆司令部武器研究发展和工程中心(TACOM)支持了一个项目，意在探索复合材料的潜在优势，它将用于代替传统的钢材生产巡逻车驾驶室和拘禁室。该项目已与TACOM签订了合同，并组建了复合材料开发团队——特拉华州中心大学复合材料中心(CCM)。由于该项目涉及技术领域广泛，CCM与复合材料设计和生产专家、TPI复合材料公司和车辆研发专家Altair ProductDesign咨询团队密切合作。

解决方案

复合材料的概念优化

TPI复合材料公司在风能、军事和交通行业的复合材料产品应用有丰富的经验。由其复合材料经验和Altair ProductDesign车辆研发专家组成的团队能够应对此次挑战，生产出轻量、高性能复合材料的车辆驾驶室和拘禁室

贯穿整个开发过程中的一个要求就是要确保最终产品重量尽可能最轻，同时满足性能目标。为了实现这个目标，Altair ProductDesign产品咨询团队进行了一系列优化研究来确定结构上哪里需要材料，以及哪里可以去掉以减少重量。为了完成最初的“概念优化”，该团队使用了Altair HyperWorks软件包中的优化设计工具——OptiStruct。在这个过程中，需要给出车辆在各种使用条件下的性能目标、载荷工况以及复合材料的强度、刚度和其它特性。

最终，定义出设计空间以确定哪里可以增加材料能满足设计要求。例如，一个非设计的空间包括驾驶室和拘禁室的两侧的门。

随着设计考虑和约束定义，OptiStruct生成了新的材料布局概念，这与一位工程师在未使用智能仿真技术的情况下典型的考虑完全不同。Altair ProductDesign产品咨询团队的车辆研发专家使用拓扑优化结果作为指导，形成了一个新的复合材料布局，最大限度减少车辆重量。与TPI复合材料公司在这一阶段的合作是无价的，该公司的复合材料专家能够解读OptiStruct的优化结果以确定OptiStruct所建议的材料布局是否符合生产的指导方针。

通过尺寸优化得到最佳材料厚度

为了进一步减少驾驶室和拘禁室的重量，Altair产品咨询团队进行了一个'尺寸'优化研究。在这一研究过程中，复合材料布局得到进一步优化，最后得到整个结构的理想厚度。

减少仅仅几毫米就可以使显著减少结构重量，使用复合材料元件可最小化生产成本和时间。以下是尺寸优化过程的几个例子：

- 拘禁室车门开口厚度增加
- 座椅底部和边缘厚度增加
- 侧面无需定向加固条

驾驶室和拘禁室新的设计布局都需要在模拟世界中进行测试以确保其性能满足特定的目标，包括强度，刚度和疲劳分析。为了达到这一目标，Altair ProductDesign咨询团队使用预定的载荷数据将优化设计通过一系列静态分析使用数据，寻找整个结构的潜在故障。

结论

驾驶室和拘禁室的最终设计满足了越野车要求的性能标准同时最大限度减少了重量。

通过使用概念优化，该团队能够建立一个复合材料的创新设计，仅在需要材料的地方使用材料。Altair ProductDesign产品咨询团队和Altair优化技术的结合，加上TPI复合材料公司、特拉华州中心大学复合材料中心(CCM)、美国陆军坦克与机动车辆司令部武器研究发展和工程中心(TACOM)的合作在这项复杂的工程挑战中证明了高度成功的合作伙伴关系。