六座跑車(chē)的白車(chē)身設(shè)計(jì)：利用HyperWorks最大化車(chē)身剛度并滿(mǎn)足強(qiáng)度要求

2017-01-05 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

項(xiàng)目介紹

Clemson大學(xué)國(guó)際汽車(chē)研究中心(CUICAR)的“Deep Orange”項(xiàng)目是一個(gè)研究生汽車(chē)工程項(xiàng)目,它讓學(xué)生沉浸于汽車(chē)行業(yè)工作環(huán)境中。學(xué)生、多學(xué)科學(xué)院和合作伙伴分工合作,用兩年時(shí)間設(shè)計(jì)并制造了一輛新的原型車(chē)。每個(gè)項(xiàng)目都注重利用創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程和工具來(lái)進(jìn)行汽車(chē)開(kāi)發(fā),把設(shè)計(jì)結(jié)果和突破性的產(chǎn)品部件整合起來(lái),也給學(xué)生提供了汽車(chē)設(shè)計(jì)和工程動(dòng)手體驗(yàn)。Deep Orange項(xiàng)目是CUICAR的一部分,CUICAR更大的戰(zhàn)略重點(diǎn)是進(jìn)行跨學(xué)科研究,應(yīng)對(duì)采用高級(jí)汽車(chē)設(shè)計(jì)技術(shù)和產(chǎn)品創(chuàng)新所帶來(lái)的的行業(yè)和社會(huì)挑戰(zhàn)。

Deep Orange項(xiàng)目和Altair 合作,利用高級(jí)計(jì)算機(jī)仿真方法設(shè)計(jì)他們的汽車(chē)。Altair 贊助實(shí)習(xí)和獎(jiǎng)學(xué)金,并通過(guò)提供Altair HyperWorks 仿真技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)和現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)幫助學(xué)生增長(zhǎng)知識(shí)。CUICAR 的第三代原型車(chē) “Deep Orange 3” 項(xiàng)目就是基于仿真設(shè)計(jì)一個(gè)例子。Deep Orange 3的特點(diǎn)是擁有基于創(chuàng)新的片材折疊技術(shù)的承重結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的三加三座位配置。下面描述了這個(gè)設(shè)計(jì),并總結(jié)了如何應(yīng)用Altair HyperWorks 來(lái)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)性能要求。

挑戰(zhàn)

Deep Orange 3 項(xiàng)目的目標(biāo)是基于“針對(duì)Y一代市場(chǎng)的主流混合”概念而開(kāi)發(fā)的一款車(chē)。該項(xiàng)目的主要贊助來(lái)自馬自達(dá)北美運(yùn)營(yíng)商,Art Center College of Design是設(shè)計(jì)合作伙伴。獨(dú)特室內(nèi)座椅概念是由針對(duì)Y一代廣泛的市場(chǎng)分析得來(lái)。六座位概念是為了容納四位男性乘員在外側(cè)座位(百分之九十五的男性可以坐下),和兩位男性乘員在中間座位(百分之的五十可以坐下),用了兩排座椅,每排三個(gè)的配置。

選擇相應(yīng)的白車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念是為了探索工業(yè)折紙技術(shù),這使更輕材料折疊成復(fù)雜車(chē)身結(jié)構(gòu)件形狀。成型是在裝配位置使用簡(jiǎn)單廉價(jià)夾具完成的。開(kāi)發(fā)白車(chē)身部件的幾何、拓?fù)涞裙δ苄枰O(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生與結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生之間廣泛的合作,也需要仔細(xì)平衡白車(chē)身剛度、包裝空間、成本和重量設(shè)計(jì)要求。

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解決方案

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首先,利用折疊金屬成形技術(shù)(FMT),從多次試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)中獲得一個(gè)鋁合金白車(chē)身設(shè)計(jì)。再造出一個(gè)卡板模型來(lái)證明折疊金屬技術(shù)的可行性。這個(gè)可行性評(píng)估很重要,特別在高負(fù)載結(jié)構(gòu)區(qū)域(支柱塔和車(chē)身前部安裝點(diǎn))。利用紙板模型的分析結(jié)果,折疊金屬技術(shù)被利用到了前擠壓結(jié)構(gòu)、乘客地板區(qū)和后擠壓結(jié)構(gòu)。上身結(jié)構(gòu)是鋁管狀構(gòu)造,包括車(chē)頂和車(chē)身支柱。

從卡板模型制作中得出經(jīng)驗(yàn)之后,用SolidWorks建立了白車(chē)身的CAD模型并導(dǎo)入HyperMesh中。所有的FMT結(jié)構(gòu)件和空間管狀框架結(jié)構(gòu)都是用2D面網(wǎng)格建立的。較厚的白車(chē)身部件以及關(guān)鍵設(shè)計(jì)區(qū)域——前副車(chē)架安裝到車(chē)身的位置,這些是用3D六面體網(wǎng)格劃分的。

使用Altair OptiStruct有限元求解器完成了一系列深入的有限元分析,包括扭轉(zhuǎn)和彎曲剛度分析、固有頻率分析、動(dòng)態(tài)壺洞以及加速凹凸載荷分析。后續(xù)使用Altair HyperView后處理模塊查看有限元分析結(jié)果,結(jié)果顯示白車(chē)身設(shè)計(jì)符合項(xiàng)目對(duì)車(chē)身的剛度要求。對(duì)于前副車(chē)架的有限元分析,施加了動(dòng)態(tài)加速度載荷以及制動(dòng)和轉(zhuǎn)彎工況模擬,結(jié)果顯示應(yīng)力不超過(guò)許用值。

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結(jié)論

經(jīng)過(guò)HyperWorks仿真分析,結(jié)果表明白車(chē)身底盤(pán)滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度要求,在咨詢(xún)了項(xiàng)目的主要供應(yīng)商之后,隊(duì)員們?cè)谠撥?chē)上運(yùn)用了所有這些結(jié)構(gòu)。所有的FMT車(chē)身部件,包括前部子結(jié)構(gòu)、底板、后部子結(jié)構(gòu)都運(yùn)用卡板模擬的經(jīng)驗(yàn)完成了彎曲造型。完整的FMT 白車(chē)身設(shè)計(jì)完全應(yīng)用鋁合金和結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑。獨(dú)特的3+3,雙排座部件與儀表盤(pán)、方向盤(pán)以及動(dòng)力總成控制驅(qū)動(dòng)一同被安裝完成。通過(guò)有限元模擬的用來(lái)支撐前發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成的前副車(chē)架被安裝到前車(chē)身結(jié)構(gòu)上?；谇拜嗱?qū)動(dòng)的四輪驅(qū)動(dòng)概念的動(dòng)力總成,4缸渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪裝置被安裝完成。

總之,在Deep Orange 3 團(tuán)隊(duì)試圖讓白車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求的過(guò)程中,Altair HyperMesh、OptiStruct以及HyperView發(fā)揮了重要作用。Imtiaz Haque博士(CUICAR執(zhí)行董事)這樣說(shuō),“在我們Deep Orange 3團(tuán)隊(duì)試圖讓設(shè)計(jì)滿(mǎn)足剛度和強(qiáng)度要求的過(guò)程中,Altair HyperWorks系列軟件是最有用的工具。” 跑車(chē)結(jié)構(gòu)完成之后,在拉斯維加斯舉辦的年度美國(guó)改裝車(chē)展(SEMA)上,Deep Orange 3跑車(chē)被成功展出。