大学生方程式赛车借助OptiStruct 实现轻量化和燃料效率最大化

项目介绍

每年一届的大学生方程式汽车大赛由英国机械工程师学会(IMechE)在英国一级方程式银石赛道举办。来自世界38个国家/地区的178支报名队伍将在2014年展开激烈的角逐。想要获得胜利，各队需要展现出他们在技术、工程、设计和制造方面的高超技艺。他们还要考虑到商业车赛的新发展方向，同时反映出该行业的挑战和需求。在设计高速高效的先进赛车时，降低重量至关重要。车辆越轻，其加速和操控性能就会越好，而且还会提高燃油效率。

杜伦大学电动赛车团队(DUEM)是一支英国队伍，由一群擅长设计、装配和驾 驶电动赛车的学生组成。该队伍从工程系所有年级吸纳了具有不同经验水平的成员。为参加车赛，学生们自发利用课外时间从事相关项目和技术工作。

在 2008 年北美太阳能汽车挑战赛上，这支队伍获得了“最佳新秀团队”奖， 最终在26支竞争队伍中名列第14位。他们是唯一一支参与该项赛事的英国队伍。 在2011年于澳大利亚举行的世界太阳能汽车挑战赛上，他们在42支队伍中名列第 33位。

这支队伍计划凭借全碳纤维单体式车壳和创新式空气动力学设计参加2015年 世界太阳能汽车挑战赛。在报名参加英国大学生方程式汽车大赛和世界太阳能汽车 挑战赛之后，DUEM正在着手设计和装配其首款1级大学生方程式赛车，这款赛车将于2014年夏季亮相银石赛道。该车将完全依靠电力驱动，并配备钢制空间管阵式车架、碳纤维车身和LiPO4电池，同时使用业内领先的空气动力学软件降低风阻。

DUEM车队对自己的创新设计十分自豪。在2013年，他们成为首个设计出蓄热 式磁流变(MR)悬挂系统的2级大学生方程式车队。他们在22支队伍的竞争中披荆斩棘，排名第7。由于采用了MR悬挂系统，每个轮胎能够流畅独立地运转，从而使车 辆十分平稳地行驶。该系统可与车辆的稳定性控制系统相集成，以提高在砂石路面和湿滑路面上的稳定性。

挑战

DUEM希望在该项目中展示出他们如何通过优化立柱设计来应对多个荷载工况，从而凭借最新的轻量化技术来提高赛 车效率和速度。

优化立柱设计是一项复杂的任务，设计时需要考虑多种荷载工况，包括颠簸、过弯、制动和加速等荷载。要达到优秀 的动态响应能力，降低簧下重量非常关键。立柱是汽车上的"重磅角色"，减少它的质量不仅可以提高车辆的直线加速能力，还能够改善过弯能力和防滑性。而要想实现制动器、轴承和轮辋中其它组件的有效组装，几何要素就显得尤为重要了。如果从车辆安全角度出发，一旦悬挂系统发生故障，后果是很严重的。此外还要保证必要的刚度，这样才能确保操控性良好，而且所有运动部件都能够高效运转。

针对多个荷载工况的传统迭代设计方法是，在每次迭代中都去除低应力部分，但这通常都会很耗时。原始组件的设计花费了数周时间，而最终的解决方案却在结构效率方面差强人意。

解决方案

作为Altair HyperWorks仿真软件的现有用户，DUEM团队把目光投向了OptiStruct软件，希望借其之力应对这项挑战。 OptiStruct是Altair HyperWorks CAE软件中提供的一款设计工具。OptiStruct可在设计过程早期利用拓扑优化方法预测结构的最佳形态，为依靠分析带动的设计流程提供了极大便利，使设计人员可以在更短的设计周期内完成更高效的设计。

随着设计流程往前推进，OptiStruct通过强大的形态和尺寸优化功能来进一步提高设计性能。OptiStruct采用极为先进的优化算法，可以在短时间内通过数千种设计变量解决最为复杂的优化难题。

设计区域被导入OptiStruct并进行网格划分。施加的荷载工况采用2g的颠簸加速度、1.6g的过弯加速度、1.6g的制动加速度，并对制动、颠簸和过弯等荷载工况进行组合。另外还施加了拔模方向等制造约束，从而确保最终的设计结果对于制造过程可行且合理。

在不同的刚度目标和应力约束下得到了不同的结果，这时，便需要通过进行一系列仿真来研究所建议的几何解决方案 如何随着这些目标而变化。图1中的拓扑优化结果显示了未施加拔模方向约束的模型，而图2显示的是施加了制造约束的模型。高密度构件显示为红色，表示如果可行区域进一步延伸至该空间，则结果更佳。这通过将制动盘进一步向外移动来实现，这样会减小应力。

OptiStruct缩短了CAE-CAD迭代的整体设计周期，并实现了设计改进。它所提供的优化解决方案通过单次分析便会将多种荷载情形计入在内。

通过四面体网格算法可以快速完成网格划分，而无需经过一个全面彻底又耗时的过程。构件质量检验功能易于使用， 可帮助确保所获得结果的有效性。而通过边缘检验器还可以验证拓扑结果中是否出现内部空洞。

制造约束非常简单易用，这使该软件所产生的结果仅通过一台3轴铣床便可以进行加工制造，从而提高了成本效益。

设计结果十分易于解释；通过构件密度绘图器可以清晰掌握当前情况，并找出设计中可以改进之处。这为该团队提供 了大量实用信息，对他们的设计给予了极大的帮助。

结论

DUEM已经选择Altair作为战略合作伙伴，帮助他们实施仿真驱动设计流程。他们希望通过分别使用MotionSolve和针对多体动力学(MBD)的新型虚拟风洞（Virtual Wind Tunnel）等Altair工具以及外部车辆空气动力学研究来扩展仿真的使用范围。

Altair为这支大学生方程式车队提供了HyperWorks平台赞助，从而可以大幅改进他们的设计和装配过程。 在Altair的帮助下，学生们有机会与汽车和赛车行业领先企业体验同样的技术，并且通过亲身实践对真实世界中的工程学领域有了更深入的了解。