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罗彻斯特理工学院赛车队使用Femap将扭转仿真准确度高近两倍
作者:Siemens
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罗彻斯特理工学院成立于1829年,是一所由私人捐赠修建的男女合校大学,下设九个学院,非常强调职业教育和经验学习。罗彻斯特理工学院Formula SAE赛车队的宗旨是设计、开发、制造、测试世界上最精良的Formula SAE赛车,将其投入比赛并大力推广。 www.rit.edu/kgcoe/formula

罗彻斯特理工学院用 Siemens PLM Software 公司的解决方案扩展了复合材料的用途

从零开始建造

Formula SAE® 竞赛是由 SAE 国际(前身为“美国汽车工程师协会”)组织的一项学生设计竞赛。Formula SAE 竞赛是基于这样一个假设,即一家虚拟的制造企业签约雇用了一个设计团队来开发一款小型方程式赛车,并且将评估赛车原型的可制造性。赛车的目标销售对象是非职业周末汽车越野赛车手。

每个学生团队都按照一系列规则设计、建造和测试一个原型。这些规则主要规定最低安全要求,让各个团队从零开始,自由发挥各自的创新和设计灵感,从而发掘聪明的解决问题办法。

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密歇根 Formula SAE 汽车越野赛中的 Kevin Ferraro。图片由罗彻斯特理工学院赛车队/Max Hautaniemi 提供。

Formula SAE 涵盖了汽车行业的各个方面(包括研究、设计、制造、测试、开发、市场营销、管理和财务),从而推动了学生在工程领域的职业发展,提高了工程卓越性。此外,Formula SAE 还让学生走出教室,在实际工作中运用从课本上学到的各种理论。

罗彻斯特理工学院(RIT)长期以来一直积极参与 Formula SAE 赛事,截止2013年先后共派出21辆车参赛。这只来自纽约西部的赛车队每年都会从零开始建造一辆汽车,只外购发动机组、轮胎和散装材料(bulk materials)。整辆汽车全部由学生自己设计、建造和组装。

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首席底盘设计师 Tim Moran 晚上在由校园停车场改造而成的测试跑道上试车。图片由罗彻斯特理工学院赛车队/Max Hautaniemi提供。

改用 Femap

该团队2013年赛季使用的工具箱中最受欢迎的新解决方案莫过于产品生命周期管理(PLM)专家 Siemens PLM Software 公司提供的 Femap™ 软件。Femap是一款先进的工程仿真软件,可以为复杂的工程产品和系统创建有限元分析(FEA)模型,并显示解算结果。Femap 可以对部件、装配或系统进行虚拟建模,判断特定操作环境的行为反应。

Siemens PLM Software 通过自己的以培养下一代设计师和工程师为宗旨的教学计划向罗彻斯特理工学院捐赠了 Femap 软件。

罗彻斯特理工学院工程专业的学生一般都参与一项“五年合作计划”,学习四年,工作一年。担任2013年赛车队首席工程师的 Tyler Peterson 在 SpaceX 执行一项合作任务时接触到了 Femap,并且留下了很深刻的印象,返回学校之后他建议把赛车队的 FEA 软件换成 Siemens PLM Software 公司的解决方案。

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上图所示为正在测力计上测试的引擎。罗彻斯特理工学院赛车队用自己开发的测力计装置和虚拟仪器软件完成引擎的所有测试和校准工作。图片由罗彻斯特理工学院赛车队/Max Hautaniemi 提供。

Peterson 是加州圣地亚哥本地人,于2013年春季毕业,获得了机械工程学士学位。他表示:“Femap 比我们以前使用的 FEA 软件要准确得多。用 Femap 对汽车进行抗扭刚度测试的结果只比实际低7%,而用以前的软件测试的结果却比实际低20%左右。实践证明,Femap 的准确度是以前软件的三倍左右,能让我们更好地了解如何让汽车做好参赛的准备。

“此外,Femap 的易用性也比我们以前使用的工具强很多。Femap 的功能非常强大,你可以快速移动对象,尝试不同的情景,确定最好的一个。界面功能非常强大、灵活,你可以用20种不同的方法来排列对象,因此你不必一条路走到黑。你可以按最适合你的方式组织界面,以你自己的方式思考问题。”

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汽车尾部的 Femap 分析 – 对后底盘支撑和其它金属零件进行建模。每个悬挂点均已施加悬挂负荷。

将理论付诸实践

根据罗彻斯特理工学院赛车队的使命宣言,“罗彻斯特理工学院 Formula SAE 赛车队的宗旨是设计、开发、制造、测试世界上最精良的 Formula SAE 赛车,将其投入比赛并大力推广。我们将努力成为最专业、最受尊重和最有声望的 SAE 车队。我们将提供一个建设性的学习环境,为车队新成员提供亲自参与最佳工程设计的机会,使他们得到提升。通过我们在车间和赛道上对质量的严格把关,我们会不断提高自己和比赛成绩。通过精诚合作、无私奉献和有效沟通,我们一定会实现这个目标。”

罗彻斯特理工学院赛车队每年参加三次比赛。他们的赛季从在密歇根举行的原汁原味同时又是规模最大的 Formula SAE 比赛开始。此外,该车队还尽量每年参加一次国际比赛,与拥有不同技能的团队比赛,向世界展示自己的实力。
Formula SAE 比赛由7项赛事组成,总分为1000分,其中22千米耐力测试为300分,工程设计测试为150分。在工程设计比赛中,每个团队都要向来自汽车、赛车运动和航空航天领域的专家组成的裁判团解释自己的设计决定,并进行辩护。

Peterson 表示:“SAE 比赛的真正价值在于,它允许我们将课堂上学到的东西付诸实践。通过结合理论与这种亲身体验,有助于培养年轻工程师,让他们一走出学校就能熟练开展工作,不必再花一两年时间来学习。

易用性及其它很多优点

罗彻斯特理工学院赛车队项目经理来自罗彻斯特,是一位在机械工程领域有五年工作经验的资深工程师。他表示:“该车队的工程师很快就掌握了 Femap。Femap 比我们以前使用的 FEA 程序要好用得多,这两个程序之间的差别就像白天与黑夜一样明显。”

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用 Femap 绘制的汽车尾部引擎支架结构中横梁的模型

“有了 Femap 之后,我们很快就可以完成分析设置,比我们以前使用的程序要快得多,也更准确。用户界面很好用,我们经常会发现使分析设置变得更快、更容易的新的、有用的工具。”

Tim Moran 毕业于宾夕法尼亚州伊利大学机械工程专业,是一位资深设计师,担任该车队的首席底盘设计师。Tim 接触 Femap的时间相对较晚,Femap 有一项功能令他特别着迷。他表示:“利用 Femap 中的‘撤销’按钮,你就有足够的信心尝试新东西,因为你知道在尝试过程中不会丢失已经完成的工作。

Peterson 表示:“Femap 的很多其它功能也非常出色,你可以用它来导入并无缝集成几何图形。此外,Femap 还有很多后处理工具。比如,Femap 提供了很多不同的数据显示方法,你可以为特定目的尽量有效地显示数据,因此这一点非常重要。”

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上图所示为 Femap 生成的复合材料转向支撑结构。上转向箱和方向盘没有安装在这个结构上 – 这个结构位于车内靠近驾驶员膝盖处。

充分利用复合材料

在过去几年中,罗彻斯特理工学将复合材料的应用扩大到了整辆汽车。Femap 在这一过程中起到了至关重要的作用,因为它允许车队分析复合材料的结构。车队用 Femap 来分析汽车上的每个碳纤维零件以及几个其它装配,包括整个底盘、底盘支撑、转向支撑、引擎支架、进气增压室、悬挂臂、仪表板下方杂物盒、驱动轴和转向轴。底盘每年都设计,用单体结构设计,强调扭转刚度,尽量减轻重量,增强人因工程效应。

Moran 表示:“Femap 非常适合处理复合材料,比其它程序具有更好的变更实施功能。有了 Femap 之后,我们的复合材料分析水平远远超过了以前 – Femap 为我们打开了新的大门。”

“比如,当我们想要分析底盘时,我们能够将13个不同叠合计划的属性分组,能够将大量不同单元拉入一个分析中,能够同时对所有其它部件进行建模,比如同时对悬架模型的管子(suspension model tube)和模型的其它组成部分进行建模。因此,我们对整台汽车的了解要比以前全面、深入得多”。

与被替代的其它零件相比,这些新的复合材料结构件刚度更高,重量更轻。此外,使用复合材料零件还为罗彻斯特理工学院提供了更多的包装和机械设计选择。由于不受传统金属零件加工操作的限制,因此该车队能够非常灵活地处理自己设计的零件。

Guenther 表示:“很容易将横梁模型合并到分析中,我非常喜欢这一点。用金属零件创建横梁模型后,就可以轻易将其添加到复合材料分析中。我们已经将紧固件、管结构等零件添加到汽车装配分析中。通过使用Femap,我们可以准确地通过以横梁形式建模的悬挂件施加载荷。我们可以轻易从结果中分取出反应和偏转,然后将其合并到正在处理的其它分析中。”

Peterson 表示:“Femap 在处理复合材料分析方面具有很大的优势,我们可以快速、轻易变更叠合计划和定向,因此无须进行大量工作也能看到结果。”

Moran 补充道:“后处理器很好用,你可以滚动每一层,让你明察秋毫,发现重大风险,并且知道如何纠正造成问题的单层板的方向。”

这三个人都希望能够在毕业后的第一份工作中继续使用 Femap。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (9/2/2015)
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