搜索基于OptiStruct的FSC賽車懸架搖臂的拓撲優(yōu)化
2017-02-15 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
摘要:FSC賽車的懸架搖臂是懸架的重要零部件,在賽車行駛過程中承受著來自懸架拉桿,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)計尤為重要。本文利用OptiStruct軟件對懸架搖臂進行拓撲優(yōu)化分析,優(yōu)化結(jié)構(gòu),使其在保證強度的情況下實現(xiàn)最佳的輕量化效果。
引言
作為由學生自主研發(fā)制作的一輛賽車,FSC賽車的輕量化是其重要的設(shè)計目標。但是FSC賽車相對于乘用車來說,研發(fā)周期較短,實驗條件不足,所以合理運用CAE技術(shù)顯得尤為重要。而Altair公司的OptiStruct軟件以其強大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化能力能夠幫助我們合理改進零部件的結(jié)構(gòu),優(yōu)化零部件的載荷傳遞路徑,在保證強度和剛度的前提下達到輕量化的設(shè)計目標。本文運用OptiStruct的拓撲優(yōu)化功能,對懸架系統(tǒng)的重要零部件——搖臂進行拓撲優(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)孔通過滾針軸承與車架吊耳相連。另外三個孔分別與螺旋彈簧,橫向穩(wěn)定桿和懸架拉桿相連。
運用HyperMesh進行模型的前處理,為了方便進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,在網(wǎng)格劃分的時候?qū)⒛Ｐ头譃樵O(shè)計區(qū)和非設(shè)計區(qū)。同時將模型進行處理,使其便于進行映射網(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:其中藍色部分為非設(shè)計區(qū),紅色部分為設(shè)計區(qū)。最終得到的網(wǎng)格數(shù)量為6569,節(jié)點數(shù)量為10543。
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。
計算賽車在極限工況下?lián)u臂的受力情況,我們根據(jù)實際情況,對搖臂時間彈簧機橫向穩(wěn)定桿的力,通過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:
圖3 邊界條件及載荷
2 靜力學分析
搖臂進行材料屬性,單元屬性,邊界條件和載荷步的設(shè)置之后運用RADIOSS進行靜力學分析。得到如下結(jié)果:
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的屈服強度為785MPa,零件存在強度過?，F(xiàn)象,不利于輕量化。接下來我們將對零件進行拓撲優(yōu)化。
3 拓撲優(yōu)化
3.1定義拓撲優(yōu)化的設(shè)計變量
定義設(shè)計區(qū)的“單元密度”為設(shè)計變量?？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為y方向,同時考慮到工藝學,定義最小成員尺寸為5mm。同時取安全系數(shù)為2。則最大應(yīng)力不能超過392.5MPa。設(shè)置應(yīng)力約束為392.5MPa。
3.2定義目標函數(shù)和約束條件
零件的剛度不能太小,否則會影響懸架的剛度特性?？紤]到如果設(shè)置某一節(jié)點的位移為約束條件,則其他節(jié)點處的位移會過大,而且在計算前,發(fā)生最大位移的可能節(jié)點未知。所以我們設(shè)置靜態(tài)柔度為響應(yīng)變量而非位移。
創(chuàng)建體積分數(shù)的響應(yīng)volumefrac和靜態(tài)柔度的響應(yīng)compliance。設(shè)置體積分數(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)柔度為目標函數(shù),優(yōu)化目標為靜態(tài)柔度最小即剛度最大。設(shè)置完成之后進行拓撲優(yōu)化。通過39次迭代之后,得到零件各部分的單元密度如圖6 所示:
圖6 單元密度
計算完成之后運用OSSmooth導(dǎo)出優(yōu)化之后的模型,在CAD軟件中在根據(jù)實際加工情況進行修改模型,得到如下圖所示的模型:
圖7 優(yōu)化后模型
對優(yōu)化后模型進行靜力學分析,得到如下結(jié)果:
圖8 優(yōu)化后變形
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)。整個零件的質(zhì)量由原來的180g減到114g,減重比大36.7%?；具_到了預(yù)期目標,存在誤差是因為重新設(shè)計的模型與拓撲優(yōu)化得到的最初模型存在誤差。
4 結(jié)論
運用OptiStruct拓撲優(yōu)化模塊,我們在保證搖臂的強度和剛度的情況下,在優(yōu)化過程中充分考慮了零部件的工藝性,實現(xiàn)了搖臂的輕量化,最終減重比大36.7%。后期的實車測試也充分驗證了零部件的可靠性,也從側(cè)面說明了AltairOptiStruct軟件強大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化功能以及對于FSC賽車設(shè)計的重要意義。
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