基于OptiStruct的节能赛车车架设计

摘要：为了参加中国节能竞技大赛，需要设计轻量化的车架。在充分考虑参赛这一特殊背景后，制定了满载弯曲工况下，基于刚度目标和体积分数约束的拓扑优化方案，借助OptiStruct在初始阶段进行概念设计，使结构在布局上最优。在拓扑优化结构的指导下进行车架的详细设计，并使用RADIOSS对车架进行有限元分析。此车架满足了设计要求，不仅减轻了车架自身重量，更小的尺寸还为车壳的减重提供了空间，整车重量较往届相比大大下降。
关键词：车架设计, 拓扑优化, 轻量化, OptiStruct, RADIOSS

引言

本田杯中国节能竞技大赛是通过自己设计并制作车赛车，使用规定量的汽油行驶，通过换算，最后得出1升油能够行使多少公里的一项节能竞技赛事。赛会为参赛车辆提供统一的发动机，其它部件则由各车队独立创作完成，各参赛队可以充分发挥各自节能的创想，打造完全属于自己的赛车。
其中车辆轻量化是取的好成绩的一个重要因素。在缺乏资料和设计经验，以及材料、加工手段、资金有限的条件下，最大限度的制作出轻量而又满足要求的车架，设计人员借助HyperWorks软件的帮助，通过拓扑优化方法设计节能车车架。

1 设计背景

由于此节能车纯粹为节能比赛而设计，并不需要满足日常使用，特殊的使用背景决定了此车架的设计要求与普通车架的设计要求有很大不同。

1、比赛在上海F1赛车场中进行，赛道平整，不会出现明显的颠簸情况。
2、节能车比赛并非比速度的赛车运动，比赛过程中的平均速度为25km/h，绝大多数时候是在平稳的行驶，不会出现急刹车、急加速、高速过弯等极限工况。
3、该车只在练习和正式比赛的短时间内使用，所以不需要考虑车架的使用寿命，对疲劳强度的要求不高。
4、由于针对短时间的比赛，所以对车辆的舒适性要求低，普通车辆设计中的平顺性、频率优化等常见设计要求都不是该车的设计指标。
5、由于有专门驾驶该车的车手，所以只需为其量身打造，并尽可能的缩小空间。

综合考虑以上因素，该车架设计时主要从满载弯曲工况出发，要求车架的最大弯曲挠度小于10mm，并且满足材料的强度要求。

2 总体设计方案

结合车队具备的实际条件，权衡各种车架总体结构和材料选择方案。

表1 各种车架方案对比

由于材料、加工手段、经费等条件限制，综合考虑各因素后，拟定本车架采用304牌号的不锈钢管焊接而成的平面车架形式。力求车架设计简单轻便，只保留必要零部件。采用两前轮、一后轮的布局形式。

3 拓扑优化概念设计

由于使用不锈钢管焊接，其管状结构和固定的截面尺寸，导致实际车架势必无法很好的贴合拓扑优化结构，所以在此例中，拓扑优化是初期的概念设计阶段，主要目标是确定较为合理的横梁布局来提高刚度，为后续设计提供参考。
针对选手的体型，尽可能缩小车架整体尺寸后，确定拓扑优化的基结构如图1所示。

图1 拓扑优化基结构

红色区域为非设计区域，用于连接车轮、安装转向装置，其尺寸有特定要求，在拓扑优化中不能改变。蓝色部分为设计区域，根据经验，安装后轮的梁下方需要支撑装置，所以在后部设置了两块纵向设计区域，通过拓扑优化获得有效的支撑结构。

3.1 材料参数

弹性模量：2.1× MPa，泊松比：0.3，密度：7.93× t/mm3。

3.2 约束设置

节能车采用两个前轮、一个后轮的形式。在要求简单轻便的总体设计前提下，节能车没有设计弹性悬架系统，车轮与车架直接相连。为模拟静态满载工况，在安装前后轮轴的部位设置rb2单元，释放它们x方向和绕y轴转动的自由度，约束其它自由度。

3.3 载荷分布

车架所承受的力包括：车手重力：550N；发动机重力：240N；外壳及其他附件重力：300N。

由于概念设计阶段的主要目的是提供横纵梁的大致分布情况，为后续设计提供参考，所以载荷没有完全按照实际的分布情况施加，而是简化为等效集中力施加。

人体上下半身重量比大约为9:5。人坐在车中，腿部向前伸展，上半身重量集中于臀部，所以在臀部位置施加上半身的集中力353.6N，在腿部中间位置施加下半身重力196.4N。
发动机位于车辆后方，施加一个集中力。

车壳通过6个安装点与车身相连，故将车壳重力分散为六个力分布于车架周围。

通过GRAV卡片，添加车架自身的重力，如图2。

图2 GRAV卡片

3.4 求解设置

虽然车架的设计要求之一是最大弯曲挠度要小于10mm，但在这里不适合将其作为拓扑优化的约束条件，因为此处的实体模型与实际加工时所用的薄壁管状结构有很大不同，概念设计阶段是为后续设计提供一个定性的参考，而10mm这个定量的指标在此阶段不的作用不大。

所以建立柔度响应和体积分数响应，并设置体积分数为约束条件，最大值为0.18，优化目标为柔度最小（即刚度最大）。

3.5 优化结果分析

使用OptiStruct计算后，优化模型如图3所示.

图3 拓扑优化结果

纵梁后方逐渐收缩，且比较粗。后轮支架下方形成斜梁，构成成三角形支撑。在车手和发动机加载的位置分别形成横梁。车架前部没有布置材料，此情况下，车手将小腿架在横梁上，小腿前部伸出车体，悬空放置，可以想象这种情况是可行的，而且可以节省车架前部材料，降低重量。若果不是需要车壳的连接位置，前方伸出的纵梁也可以去掉。

4 详细设计

图4 车架三维模型

在拓扑优化结构的基础上，进行具体的车架设计，如图4所示。设计的车架基本参照拓扑优化结构，在相应位置设置横纵梁，但有几处不同之处。

1、拓扑优化后，车架前部没有布置材料，这是将车手下半身重力以集中载荷的形式加在腿部中间位置导致的。前面已经分析过，这种情况是合理的，但由于比赛规则规定，车手腿部不能伸出车架，必须完全位于车体内。所以实际设计时，还是将纵梁加长，并在最前方补充一根横梁，将车手腿部包围，以满足比赛规则，但其实车架前部并不承担很大载荷。

2、拓扑优化结果中，车架后部发动机处有一根横梁。考虑到发动机实际是通过底部的四个螺栓固定，而螺栓不便于直接穿过横梁（一是容易破坏钢管强度；二是钢管较粗，原装螺栓长度不够），因此添加一个横梁，在两横梁间架设一块钢板用于安装发动机，发动机的重力实际是通过钢板分布到车架后方的梯形区域。

3、拓扑优化结果中的纵梁后部比较宽，由于实际加工使用的钢管具有固定的横截面，所以在纵梁后方加焊不锈钢管，更好的符合拓扑优化的结果。

5 有限元分析

车架初步拟用截面尺寸为30×30mm，壁厚0.9mm的不锈钢管制作，这与拓扑优化中的实体结构有所区别，所以需要进一步对设计的车架进行有限元分析，检验是否满足强度和刚度要求。

5.1 网格划分

通过igs格式将车架几何模型导入Hyperworks，由于车架由薄壁管组成，适合用壳单元建立有限元模型。使用midsurface功能可以方便的抽取中面，由于几何建模时，只保证外部轮廓正确，一些结构的内部，尤其是管材交接处，没有完全保证薄壁之间的正确的关系，所以抽取中面后，存在一些破面和多余的面，需要进行几何清理，如图5所示。

图5 抽取中面、几何清理

几何清理后，划分二维网格，并检查网格质量。

5.2 求解设置

材料参数与拓扑优化中的设置相同，壳单元的厚度为0.9mm。
约束的设置与拓扑优化中相同。

由于具体的车架已经设计出来，将人体重力和发动机重力以均匀分布力的形式施加，以更好的模拟实际工况，使计算结果更精确。

有限元模型如图6所示。

图6 车架有限元模型

5.3 结果分析

（a）位移云图 （b）应力云图
图7 有限元计算结果

提交RADIOSS求解后，得到位移和应力云图，如图7所示。

最大位移为4.1mm，车架的最大弯曲挠度要求小于10mm，满足设计要求。

图8 最大应力位置

如图8所示，最大应力为69.1MPa，位于车手和发动机中间的纵梁上。由于纵梁后方额外加焊的钢管，减小了纵梁上的应力，而且将最大应力的位置移向前方，避开了梯形区域三根梁焊接处的危险位置，可见拓扑优化的概念设计提供了很好的参考价值。304牌号的不锈钢材料屈服强度为205MPa，可以得到安全系数为3.0，有较大的安全裕度。此车架可以满足满载弯曲工况下的强度及刚度要求。

6 结论

图9 上届车架

车架质量为6.5Kg。相比上届参赛车架（图9）9Kg的质量，减轻了28%。不仅车架本身重量减轻，由于车架宽度从原来的520mm减少为360mm，长度由原来的2500mm减少为2000mm，为外壳尺寸的减小提供条件，能大大的减少整车重量，据理论估算车壳由于车架的体积减少还能减轻13Kg质量。在缺乏经验和资料的条件下，基于OptiStruct的拓扑优化为车架轻量化设计提供了很好的参考价值。

7 参考文献
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