項目介紹
每年一屆的大學生方程式汽車大賽由英國機械工程師學會(IMechE)在英國一級方程式銀石賽道舉辦。來自世界38個國家/地區的178支報名隊伍將在2014年展開激烈的角逐。想要獲得勝利，各隊需要展現出他們在技術、工程、設計和制造方面的高超技藝。他們還要考慮到商業車賽的新發展方向，同時反映出該行業的挑戰和需求。在設計高速高效的先進賽車時，降低重量至關重要。車輛越輕，其加速和操控性能就會越好，而且還會提高燃油效率。
杜倫大學電動賽車團隊(DUEM)是一支英國隊伍，由一群擅長設計、裝配和駕駛電動賽車的學生組成。該隊伍從工程系所有年級吸納了具有不同經驗水平的成員。為參加車賽，學生們自發利用課外時間從事相關項目和技術工作。
在2008年北美太陽能汽車挑戰賽上，這支隊伍獲得了“最佳新秀團隊”獎，最終在26支競爭隊伍中名列第14位。他們是唯一一支參與該項賽事的英國隊伍。在2011年于澳大利亞舉行的世界太陽能汽車挑戰賽上，他們在42支隊伍中名列第33位。
這支隊伍計劃憑借全碳纖維單體式車殼和創新式空氣動力學設計參加2015年世界太陽能汽車挑戰賽。在報名參加英國大學生方程式汽車大賽和世界太陽能汽車挑戰賽之后，DUEM正在著手設計和裝配其首款1級大學生方程式賽車，這款賽車將于2014年夏季亮相銀石賽道。該車將完全依靠電力驅動，并配備鋼制空間管陣式車架、碳纖維車身和LiPO4電池，同時使用業內領先的空氣動力學軟件降低風阻。
DUEM車隊對自己的創新設計十分自豪。在2013年，他們成為首個設計出蓄熱式磁流變(MR)懸掛系統的2級大學生方程式車隊。他們在22支隊伍的競爭中披荊斬棘，排名第7。由于采用了MR懸掛系統，每個輪胎能夠流暢獨立地運轉，從而使車輛十分平穩地行駛。該系統可與車輛的穩定性控制系統相集成，以提高在砂石路面和濕滑路面上的穩定性。
挑戰
DUEM希望在該項目中展示出他們如何通過優化立柱設計來應對多個荷載工況，從而憑借最新的輕量化技術來提高賽車效率和速度。
優化立柱設計是一項復雜的任務，設計時需要考慮多種荷載工況，包括顛簸、過彎、制動和加速等荷載。要達到優秀的動態響應能力，降低簧下重量非常關鍵。立柱是汽車上的“重磅角色”，減少它的質量不僅可以提高車輛的直線加速能力，還能夠改善過彎能力和防滑性。而要想實現制動器、軸承和輪輞中其它組件的有效組裝，幾何要素就顯得尤為重要了。如果從車輛安全角度出發，一旦懸掛系統發生故障，后果是很嚴重的。此外還要保證必要的剛度，這樣才能確保操控性良好，而且所有運動部件都能夠高效運轉。
針對多個荷載工況的傳統迭代設計方法是，在每次迭代中都去除低應力部分，但這通常都會很耗時。原始組件的設計花費了數周時間，而最終的解決方案卻在結構效率方面差強人意。
圖1 最初流程并未產生最佳結果
解決方案
作為Altair HyperWorks仿真軟件的現有用戶，DUEM團隊把目光投向了OptiStruct軟件，希望借其之力應對這項挑戰。OptiStruct是Altair HyperWorks CAE軟件中提供的一款設計工具。OptiStruct可在設計過程早期利用拓撲優化方法預測結構的最佳形態，為依靠分析帶動的設計流程提供了極大便利，使設計人員可以在更短的設計周期內完成更高效的設計。
隨著設計流程往前推進，OptiStruct通過強大的形態和尺寸優化功能來進一步提高設計性能。OptiStruct采用極為先進的優化算法，可以在短時間內通過數千種設計變量解決最為復雜的優化難題。
設計區域被導入OptiStruct并進行網格劃分。施加的荷載工況采用2g的顛簸加速度、1.6g的過彎加速度、1.6g的制動加速度，并對制動、顛簸和過彎等荷載工況進行組合。另外還施加了拔模方向等制造約束，從而確保最終的設計結果對于制造過程可行且合理。
在不同的剛度目標和應力約束下得到了不同的結果，這時，便需要通過進行一系列仿真來研究所建議的幾何解決方案如何隨著這些目標而變化。圖2中的拓撲優化結果顯示了未施加拔模方向約束的模型，而圖3顯示的是施加了制造約束的模型。高密度構件顯示為紅色，表示如果可行區域進一步延伸至該空間，則結果更佳。這通過將制動盤進一步向外移動來實現，這樣會減小應力。
圖2 未施加拔模方向約束
圖3 施加了拔模方向約束
OptiStruct縮短了CAE-CAD迭代的整體設計周期，并實現了設計改進。它所提供的優化解決方案通過單次分析便會將多種荷載情形計入在內。
通過四面體網格算法可以快速完成網格劃分，而無需經過一個全面徹底又耗時的過程。構件質量檢驗功能易于使用，可幫助確保所獲得結果的有效性。而通過邊緣檢驗器還可以驗證拓撲結果中是否出現內部空洞。
制造約束非常簡單易用，這使該軟件所產生的結果僅通過一臺3軸銑床便可以進行加工制造，從而提高了成本效益。
設計結果十分易于解釋；通過構件密度繪圖器可以清晰掌握當前情況，并找出設計中可以改進之處。這為該團隊提供了大量實用信息，對他們的設計給予了極大的幫助。
圖4 OptiStruct顯著縮短了設計周期，與手動方法相比，讓整個設計工作更加全面周密
結論
DUEM已經選擇Altair作為戰略合作伙伴，幫助他們實施仿真驅動設計流程。他們希望通過分別使用MotionSolve和針對多體動力學(MBD)的新型虛擬風洞（Virtual Wind Tunnel）等Altair工具以及外部車輛空氣動力學研究來擴展仿真的使用范圍。
Altair為這支大學生方程式車隊提供了HyperWorks平臺贊助，從而可以大幅改進他們的設計和裝配過程。在Altair的幫助下，學生們有機會與汽車和賽車行業領先企業體驗同樣的技術，并且通過親身實踐對真實世界中的工程學領域有了更深入的了解。
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本文標題：大學生方程式賽車借助OptiStruct實現輕量化和燃料效率最大化
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