基于OptiStruct的FSC賽車懸架搖臂的拓?fù)鋬?yōu)化

2017-02-15 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要:FSC賽車的懸架搖臂是懸架的重要零部件,在賽車行駛過(guò)程中承受著來(lái)自懸架拉桿,彈簧和橫向穩(wěn)定桿的力,受力情況復(fù)雜,所以其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尤為重要。本文利用OptiStruct軟件對(duì)懸架搖臂進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析,優(yōu)化結(jié)構(gòu),使其在保證強(qiáng)度的情況下實(shí)現(xiàn)最佳的輕量化效果。

引言

作為由學(xué)生自主研發(fā)制作的一輛賽車,FSC賽車的輕量化是其重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)。但是FSC賽車相對(duì)于乘用車來(lái)說(shuō),研發(fā)周期較短,實(shí)驗(yàn)條件不足,所以合理運(yùn)用CAE技術(shù)顯得尤為重要。而Altair公司的OptiStruct軟件以其強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化能力能夠幫助我們合理改進(jìn)零部件的結(jié)構(gòu),優(yōu)化零部件的載荷傳遞路徑,在保證強(qiáng)度和剛度的前提下達(dá)到輕量化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。本文運(yùn)用OptiStruct的拓?fù)鋬?yōu)化功能,對(duì)懸架系統(tǒng)的重要零部件——搖臂進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

1 有限元模型建立

導(dǎo)入幾何模型如圖一所示:下面左側(cè)孔通過(guò)滾針軸承與車架吊耳相連。另外三個(gè)孔分別與螺旋彈簧,橫向穩(wěn)定桿和懸架拉桿相連。

運(yùn)用HyperMesh進(jìn)行模型的前處理,為了方便進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,在網(wǎng)格劃分的時(shí)候?qū)⒛Ｐ头譃樵O(shè)計(jì)區(qū)和非設(shè)計(jì)區(qū)。同時(shí)將模型進(jìn)行處理,使其便于進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分,使得絕大部分的網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,部分網(wǎng)格為棱柱單元,設(shè)定單元尺寸為1.5mm。劃分得到的最終模型如圖二所示:其中藍(lán)色部分為非設(shè)計(jì)區(qū),紅色部分為設(shè)計(jì)區(qū)。最終得到的網(wǎng)格數(shù)量為6569,節(jié)點(diǎn)數(shù)量為10543。

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圖1 搖臂幾何模型

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圖2 有限元模型

搖臂材料為40Cr,彈性模量為2.11e5MPa,泊松比為0.277,在HyperMesh中定義相應(yīng)的材料屬性。

計(jì)算賽車在極限工況下?lián)u臂的受力情況,我們根據(jù)實(shí)際情況,對(duì)搖臂時(shí)間彈簧機(jī)橫向穩(wěn)定桿的力,通過(guò)rbe3柔性連接單元施加到相應(yīng)的孔上。并施加相應(yīng)的邊界條件,最終的邊界條件和載荷如圖所示:

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表1 搖臂載荷

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圖3 邊界條件及載荷

2 靜力學(xué)分析

搖臂進(jìn)行材料屬性,單元屬性,邊界條件和載荷步的設(shè)置之后運(yùn)用RADIOSS進(jìn)行靜力學(xué)分析。得到如下結(jié)果:

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圖4 變形云圖

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圖5 應(yīng)力云圖

由應(yīng)力云圖可知,最大變形量為0.0754mm,大應(yīng)力為103.9MPa,40Cr的屈服強(qiáng)度為785MPa,零件存在強(qiáng)度過(guò)?，F(xiàn)象,不利于輕量化。接下來(lái)我們將對(duì)零件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。

3 拓?fù)鋬?yōu)化

3.1定義拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)變量

定義設(shè)計(jì)區(qū)的“單元密度”為設(shè)計(jì)變量?？紤]到搖臂是采用上下兩片線切割,最后再與軸承座焊接在一起,所以可以定義拔模方向?yàn)閥方向,同時(shí)考慮到工藝學(xué),定義最小成員尺寸為5mm。同時(shí)取安全系數(shù)為2。則最大應(yīng)力不能超過(guò)392.5MPa。設(shè)置應(yīng)力約束為392.5MPa。

3.2定義目標(biāo)函數(shù)和約束條件

零件的剛度不能太小,否則會(huì)影響懸架的剛度特性?？紤]到如果設(shè)置某一節(jié)點(diǎn)的位移為約束條件,則其他節(jié)點(diǎn)處的位移會(huì)過(guò)大,而且在計(jì)算前,發(fā)生最大位移的可能節(jié)點(diǎn)未知。所以我們?cè)O(shè)置靜態(tài)柔度為響應(yīng)變量而非位移。

創(chuàng)建體積分?jǐn)?shù)的響應(yīng)volumefrac和靜態(tài)柔度的響應(yīng)compliance。設(shè)置體積分?jǐn)?shù)為約束條件并設(shè)置其上限為0.6,即減重40%。設(shè)置靜態(tài)柔度為目標(biāo)函數(shù),優(yōu)化目標(biāo)為靜態(tài)柔度最小即剛度最大。設(shè)置完成之后進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。通過(guò)39次迭代之后,得到零件各部分的單元密度如圖6 所示:

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圖6 單元密度

計(jì)算完成之后運(yùn)用OSSmooth導(dǎo)出優(yōu)化之后的模型,在CAD軟件中在根據(jù)實(shí)際加工情況進(jìn)行修改模型,得到如下圖所示的模型:

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圖7 優(yōu)化后模型

對(duì)優(yōu)化后模型進(jìn)行靜力學(xué)分析,得到如下結(jié)果:

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圖8 優(yōu)化后變形

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圖9優(yōu)化后應(yīng)力

可知,優(yōu)化后的最大變形為0.221mm,最大應(yīng)力為249MPa。雖然最大變形和應(yīng)力都有所增大,但是在允許范圍內(nèi)。整個(gè)零件的質(zhì)量由原來(lái)的180g減到114g,減重比大36.7%。基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo),存在誤差是因?yàn)橹匦略O(shè)計(jì)的模型與拓?fù)鋬?yōu)化得到的最初模型存在誤差。

4 結(jié)論

運(yùn)用OptiStruct拓?fù)鋬?yōu)化模塊,我們?cè)诒ＷC搖臂的強(qiáng)度和剛度的情況下,在優(yōu)化過(guò)程中充分考慮了零部件的工藝性,實(shí)現(xiàn)了搖臂的輕量化,最終減重比大36.7%。后期的實(shí)車測(cè)試也充分驗(yàn)證了零部件的可靠性,也從側(cè)面說(shuō)明了AltairOptiStruct軟件強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能以及對(duì)于FSC賽車設(shè)計(jì)的重要意義。

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