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节能赛车车架的尺寸优化及其有限元分析 |
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作者： |
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摘要：为了参加中国节能竞技大赛，需要设计轻量化的车架。初步设计的车架满足了强度和刚度要求，但安全裕度较大，仍有较大的优化潜力。为了充分利用材料的性能，制定了满载弯曲工况下，基于体积目标和位移约束的尺寸优化方案，通过尺寸优化选取合适的钢管壁厚，最后利用RADIOSS，在多种工况下，对优化后的车架进行刚度和强度有限元分析。设计完成后的车架比上届参赛车架的重量大幅减轻，并顺利完成比赛，取得了本队最佳成绩。
关键词：节能车车架, 尺寸优化, 有限元分析, RADIOSS
引言
HONDA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。
在上一设计阶段，设计人员借助HyperWorks软件的帮助，通过拓扑优化设计了节能车车架。由于该车架是为竞技比赛而设计的，并不需要满足日常使用，为了最大限度挖掘车架轻量化的潜力，通过进一步尺寸优化，减轻车架重量，并在各工况下进行车架刚度和强度的有限元分析，保证赛车能顺利完赛。
1 有限元模型建立
由于在上一阶段的设计中已经建立了车架的有限元模型。本文只简单介绍，不再详述模型的建立过程。
首先通过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功能抽取中面后，进行几何清理，并划分二维网格。
材料参数：弹性模量：2.1× MPa，泊松比：0.3，密度：7.93× t/mm3。
壳单元的厚度为0.9mm。
约束设置：节能车采用两前轮、一后轮的形式。为了结构简单，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。
载荷设置：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。
将人体重力和发动机重力以均匀分布力的形式施加在车架相应位置，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。
有限元模型如图1所示。
图1 车架有限元模型
提交RADIOSS求解后，得到位移和应力云图，如图2所示。
（a）位移云图 （b）应力云图
图2 有限元计算结果
车架的最大变形为4.1mm，由于车架的最大弯曲挠度要求小于10mm，故刚度满足设计要求。最大应力为69.1MPa，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，所以还有较大的优化潜力。为了在现有条件上进一步减轻车架重量，可以进行尺寸优化。
2 尺寸优化
市场上可供选择的30×30mm钢管壁厚范围从0.6~1.5mm，增量为0.1mm。因此需要预先设置一个离散的设计变量。在discrete dvs面板中设置离散变量为0.6~1.5，增量为0.1，如图3所示。
图3 设置离散变量
将壳单元的厚度设为优化设计变量，初始值为0.9，最小值为0.6，最大值为1.5，并选择刚才建立的离散变量。
设置位移响应和体积响应，约束条件为最大位移10mm，优化目标为体积最小（即重量最轻）。
（a）位移云图 （b）应力云图
图4 尺寸优化后的位移和应力云图
提交OptiStruct进行尺寸优化后，厚度为0.6mm，位移和应力云图如图4所示。此时最大位移为6.1mm，没有超过10mm的规定值。最大应力为100.6MPa，304牌号的不锈钢材料屈服强度为 205MPa，可计算得到安全系数为2.04。此时车架质量为4.4Kg，相比尺寸优化前的6.5Kg，车架减轻32.3%。
3 其它工况的校核
尺寸优化后管壁较薄，而且车架是从满载弯曲工况角度设计的，因此还需要检验它在其它工况下的表现，进行刚度和强度的有限元分析。
需要说明的是，该车只在练习和正式比赛的短时间内使用，为了尽量挖掘车辆轻量化的潜力，并不需要很高的安全裕度。又由于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，且不会出现急刹车、急加速、高速过弯等极限工况，而赛车场路面状况极佳，不会出现明显的颠簸情况。因此其它极限工况出现的概率较低，其他工况校核时只要变形和应力不明显超过设计指标，就认为是可以接受的。
3.1 启动工况
启动时车辆从静止状态变为运动状态会受到瞬间较大的冲击力。
由于该车后轮为驱动轮，所以约束两前轮x、y、z方向及后轮z向自由度，启动瞬间需克服的临界摩擦力近似于滑动摩擦力，轮胎与地面滑动摩擦系数大约0.5，故在后轮施加驱动力545N。
提交RADIOSS计算求解后，最大应力为160.4MPa，最大变形9.9mm，其各自发生的位置与满载弯曲工况中接近。应力和变形的增大是由于后轮驱动的原因，启动时向前的驱动力对纵梁产生弯矩，并与车架上原有负载的作用相叠加，增大了车架变形和应力。应力和变形仍在设计指标的范围内，只是安全系数不高，但考虑到启动次数较少，认为此车架仍然可以满足启动工况的要求，而且这恰恰到达了最大限度发挥材料性能的目的，符合此项竞技赛事的要求。
3.2制动工况
最极端的刹车状况是车轮在地面滑行，由于是本车是后轮刹车，故约束两前轮x、y、z方向及后轮z向自由度，在后轮施加向后的制动力545N。
提交RADIOSS计算求解后，得到最大变形为2.3mm，位置与满载弯曲工况中的接近。最大应力为86.9MPa，但位置发生了改变，如图5所示
图5 制动工况下的应力云图
制动工况中应力和变形减小是因为后轮制动的原因，制动力对车架产生的弯矩作用效果与车架承受重力产生的弯矩作用相反，两者相互抵消部分，减轻了车架的变形。
3.3扭转工况
扭转工况是一种比较极端的状态，普通车辆行驶的路面状况不稳定，可能会遇到过坑情况，此时一个车轮悬空，车架发生扭转。
在弯曲工况的基础上，释放左前轮的所有自由度。提交RADIOSS计算后，得到最大变形为 7.7mm，最大应力为190.9MPa，接近屈服极限205MPa。最大应力位于右前轮的连接处，但这种扭转情况在路面优良的赛场基本不会出现。为防止万一可以在连接车轮的部位加焊钢片，以增加局部管壁厚度。
图6 扭转工况的位移和应力云图
3.4 校核总结
经过有限元分析后，这个从满载弯曲工况角度设计的车架，仍然可以满足其它工况下的使用要求（针对节能车比赛这个特殊背景）。在某些工况中的应力在一定程度上达到了设计要求的临界值，这也达到了尽量发挥材料性能的设计初衷。
4 结论
尺寸优化后的车架比原设计减轻2.1kg，进一步挖掘了车架的轻量化潜力。通过拓扑优化和尺寸优化后的车架，总共比上届车架的9Kg质量减轻了50%，可见上届设计的车架过于保守。
经过在其它极限工况下对车架进行有限元分析后，此车架仍满足刚度和强度要求。证明通过满载弯曲工况角度出发，设计节能车车架的这一方案是可行的。
最后，这个借助HyperWorks软件，通过拓扑优化和尺寸优化设计出的车架，经受住了理论和实践的检验，参赛后这辆节能车取得了本队四次参赛中的最好成绩。
图7 实车
5 参考文献
[1] Altair Engineering Inc. HyperWorks User’s Manual Version 11.0
[2] 刘竹清. 客车车身结构轻量化研究[D]. 北京航天大学硕士学位论文, 2003, 3.
[3] 黄天泽, 黄金陵. 汽车车身结构与设计[M]. 北京：机械工业出版社, 1992. 10.
[4] 张润生, 侯炜. 车架刚度及强度的有限元分析[J]. 拖拉机与农用运输车. 2007. 04: 29-30.(end)
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(11/7/2012) |
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