大学生方程式赛车车架拓扑优化策划.doc

大学生方程式赛车车架拓扑优化设计 　　摘 要：方程式赛车车架是赛车的重要组成部分，它需要承载驾驶员与各种总成的重量，以及来自赛道的全部力。为了提高赛车的动力性与经济性，利用hypermesh对车架进行拓扑优化设计，分析优化得出车架各种力的传递路径与材料的最佳分布，为车架设计指明方向 关键词：方程式赛车；拓扑优化；hypermesh 引言 方程式赛车车架是赛车的重要的组成部分，它需要承载驾驶员与各种总成的重量，以及来自赛道的全部力。因此车架的强度、刚度直接决定整车的安全与性能。根据往届大赛比赛成绩来看，排名靠前的车队都有性能优异、质量较轻的车架，这是因为车架占整车质量的比重较大，车架的性能直接影响整车动力性、经济性。而赛车的各个组成部分大部分是直接选择成品，并没有多大设计空间，因此设计一个既轻又拥有较好力学性能的车架显得尤为重要 文章基于连续体拓扑优化理论，利用hypermesh中的OptiStruct模块并结合FSC大赛规则以及赛车四种工况对车架进行拓扑优化，初步设计出赛车车架的雏形，为车架方案的优化与最终确定指明方向。使得车架在符合大赛安全要求的前提下，获得更合理的结构、更轻的质量，从而获改善整车的经济性与动力性 1 理论概述 1.1 拓扑优化方法介绍 拓扑优化包括变密度法、变厚度法、渐进结构优化法和水平集方法等[1] 变密度法是根据均勾化方法得到的一种有效的结构优化方法，变密度法不引入微结构，而是赋予有限元单元0-1的假想密度，设计变量为假想密度，目标函数为结构柔顺性，之后设置材料弹性模量、泊松比等材料参数，将位移和载荷设置为约束条件对设计变量进行优化，并对有限单元的假设密度赋予一个阔值，随着迭代过程的进行，密度大于阔值的单元被保留，密度小于阔值的单元被删除，因而优化区域的体积不断减小，最后留下的区域便是最终的拓扑优化结果。变密度法的数学模型为： 1.2 拓扑优化流程 拓扑优化设计流程如图1所示 2 拓扑优化 2.1 模型建立 根据FSC大赛规则，参赛大学生方程式赛车车架必须包含：（1）主环、（2）前环、（3）防滚架斜撑、（4）侧边防撞结构前隔板、（5）前隔板、（6）前隔板支撑系统等结构[2] 车架所使用的材料使用用高强度4130铬钼钢圆管，材料的抗拉强度σb（MPa）：930、屈服强度σs（MPa）：785，并初步设计采用直径25.4mm壁厚3mm的钢管 由于赛车车架前环和主环结构有大赛规则有特殊要求，所以在拓扑优化中作为非设计区域单独设计出来。并且车架后部由于发动机等总成的限制，优化设计空间比较小，所以文章只对车架前部驾驶舱做拓扑优化研究 在CATIA软件中，根据上几代车型车架结构、造型，设计出前环主环的位置，及前防撞支架的形状位置，并用单体壳模型包络出新车架的大体轮廓，为拓扑优化做准备 2.2 网格划分 网格类型的选择：文章中使用RBE2和RBE3单元类型对3D模型进行网格划分 网格尺寸的选择：综合考虑分析结果的精度和效率，文章选择网格尺寸为10mm 网格疏密的调整：为了保证优化计算的效率已经分析结果的精度，在结构简单规则处调整网格密度稀疏一些，在结构复杂处网格密度适当加密 网格质量的检查：检查翘曲度、长宽比、扭曲角、雅克比值、最大内角、最小内角等值均在合理范围内[3] 赋予材料属性：此方案所设计车架所用4130钢管的弹性模量为EX=2.05e11pa、泊松比PRVX=0.285、密度DENX=7850kg/m3。单体壳的厚度选择25.4mm与钢管直径一致 2.3 计算载荷的确定与边界条件的处理 工况设定：由于FSC方程式赛车大赛中有多个比赛环节，赛车需要经受多种不同的载荷与赛道激励，为了使设计更符合实际需求，文章在优化设计中设置了四种典型工况来模拟赛车的真实情况 （1）弯曲工况：约束左右后悬架连接点处的Z方向自由度、左前悬架连接点处的XZ方向自由度、右前悬架的YZ方向自由度，释放其余自由度 （2）扭转工况：约束左后悬架连接点处的所有自由度、右后悬架XZ方向自由度、左前悬架YZ方向自由度，释放其余自由度[4] （3）紧急制动工况：仅释放左右后悬架Y方向自由度，约束其余自由度，并沿X轴正方向给车架施加1.5倍重力加速度 （4）急速转弯工况：释放左前悬架的Y方向自由度、后悬架的XY方向自由度，约束其他方向自由度，并沿Y轴正方向给车架施加1.5倍重力加速度 定义优化变量：设置所包络的车架轮廓单体壳模型所有有限元单元密度为？浊i，其中ε