《卞翔_节能赛车车架的尺寸优化及其有限元分析》.pdf

Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集 节能赛车车架的尺寸优化及其有限元分析 卞翔 （陕西 西安 710072） 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 × 3 MPa，泊松比：0.3，密度：7.93 × t/mm 。 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 - 1 - Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集 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