行業(yè)：高校

    挑戰(zhàn)：實(shí)現(xiàn)車身減重同時(shí)提高性能

    Altair 解決方案：HyperWorks優(yōu)化工具

    優(yōu)點(diǎn)：提高車身剛度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)車輛減重 ； 加速研發(fā)流程 ；節(jié)省材料 ； 減少物理試驗(yàn)次數(shù) ； 在比賽中名列前茅

    背景介紹 

    學(xué)生方程式競賽是一項(xiàng)國際性的大學(xué)生設(shè)計(jì)競賽，該賽事由美國汽車工程師學(xué) 會(huì)（SAE）于1981年提出并于1998年在歐洲推廣。SAE指出，該項(xiàng)比賽的宗旨是“通過小型、方程式車輛競賽來訓(xùn)練本科生和研究生的構(gòu)思、設(shè)計(jì)及生產(chǎn)能力。”多年 來，學(xué)生們已經(jīng)研發(fā)出創(chuàng)新的內(nèi)燃動(dòng)力車，并從2010年開始舉辦了電動(dòng)車競賽項(xiàng)目。

    車輛越輕，車輛的加速和操縱性能越好，車輛也越省油。學(xué)生方程式賽車重量 通常在150Kg到300Kg之間。這一數(shù)值很大程度取決于車身的優(yōu)化程度以及隊(duì)員們的設(shè)計(jì)理念（如輕量化設(shè)計(jì)會(huì)使用單缸發(fā)動(dòng)機(jī)配備10寸輪轂，而動(dòng)力性設(shè)計(jì)會(huì)使用4 缸發(fā)動(dòng)機(jī)配備13寸輪轂）。通常情況下，新團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的賽車的優(yōu)化程度要低于經(jīng)驗(yàn) 豐富團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)方案。

    學(xué)生方程式競賽分為靜態(tài)項(xiàng)目（工程設(shè)計(jì)、成本分析、商業(yè)計(jì)劃演示等）和動(dòng)態(tài)項(xiàng)目（防滑性、加速性、越野性、耐力性以及燃油經(jīng)濟(jì)性等）兩類。由于大多數(shù) 團(tuán)隊(duì)沒有足夠的資金生產(chǎn)多個(gè)原型賽車或進(jìn)行大量的物理試驗(yàn)，他們不得不求助于虛擬設(shè)計(jì)方法來獲得最佳的設(shè)計(jì)方案。近來，斯圖加特大學(xué)的兩支隊(duì)伍在比賽中表 現(xiàn)出色。這一成績均得益于賽車生產(chǎn)之前HyperWorks在設(shè)計(jì)方案模擬和車輛減重方面的應(yīng)用。兩隊(duì)的動(dòng)力系統(tǒng)不同，但在HyperWorks應(yīng)用上都獲得了顯著的成效。  

    挑戰(zhàn) 

    在減輕重量的同時(shí)提高車身性能是學(xué)生方程式賽車設(shè)計(jì)生產(chǎn)的根本途徑。因此，兩支隊(duì)伍均采用OptiStruct——HyperWorks基于有限元方法的結(jié)構(gòu)優(yōu)化工具，對他們的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，兩隊(duì)不同車型在類似的優(yōu)化需求下均獲得了較好的結(jié)果。

    RennTeam每年都會(huì)設(shè)計(jì)生產(chǎn)一輛全新的內(nèi)燃動(dòng)力賽車。有些零件是根據(jù)已往賽車優(yōu)化而來，有些零件則需要全新設(shè)計(jì)。他們2012賽季的賽車重量目標(biāo)定位在 175Kg到185Kg之間。

    由于裝有集成充電電池，GreenTeam的電動(dòng)車要比一般的內(nèi)燃動(dòng)力車重一些。因此，電動(dòng)車組的所有團(tuán)隊(duì)都將面臨可能的車身減重以補(bǔ)償沉重的發(fā)動(dòng)機(jī)對賽車性能影響的問題。使用傳統(tǒng)研發(fā)流程和工具，學(xué)生們需要進(jìn)行大量的虛擬設(shè)計(jì)計(jì)算和物理試驗(yàn)。然而，學(xué)生的資源畢竟有限，他們不得不尋求新的設(shè)計(jì)方法，盡可能在賽車生產(chǎn)前優(yōu)化各個(gè)零部件的重量并提高零件的剛度和性能。而OptiStruct則被證明是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最佳工具。  

   

    解決方案

    利用OptiStruct兩隊(duì)均找到了減重和研發(fā)高性能賽車的新方法。相對往年賽車，RennTeam使用仿真和優(yōu)化工具，實(shí)現(xiàn)了大多數(shù)零件20%的減重。為達(dá)到這一目標(biāo)，該隊(duì)在整個(gè)研發(fā)過程中全程使用HyperWorks軟件。通過減少材料使用量以及輪轂、輪軸、輪架、轉(zhuǎn)向節(jié)以及車身尾部結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵零件的重新設(shè)計(jì)，他們實(shí)現(xiàn)了15Kg的車輛減重。

    在CAD系統(tǒng)中對最優(yōu)方案進(jìn)行整理后，RennTeam使用HyperMesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分、使用RADIOSS進(jìn)行仿真計(jì)算，然后在HyperView中進(jìn)行結(jié)果后處理。學(xué)生們發(fā)現(xiàn)如果在CAD建模之前進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，應(yīng)用仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的研發(fā)流程能夠找到更多減重的可能。該流程包括設(shè)計(jì)空間和邊界條件的定義、OptiStruct拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)置、CAD模型幾何清理、網(wǎng)格劃分、求解和結(jié)果后處理等幾個(gè)步驟。應(yīng)用這一流程，學(xué)生們能夠更快獲得一個(gè)滿足功能和剛度要求且重量最優(yōu)的零件。

    “我們相信HyperWorks的分析結(jié)果，賽車上幾乎每一個(gè)零件都會(huì)用它來分析。”斯圖加特大學(xué)RennTeam負(fù)責(zé)F0711-7傳動(dòng)系統(tǒng)的SergejDanilov說，“我們非常感謝能夠獲得如此高效的技術(shù)支持。Altair為團(tuán)隊(duì)成員提供了技術(shù)培訓(xùn)并開展了相關(guān)研討會(huì)，這對我們的日常工作是非常有幫助的。”

    在2011和2012年，GreenTeam也大量應(yīng)用HyperWorks軟件。從網(wǎng)格劃分到優(yōu)化分析再到高級結(jié)果報(bào)告， HyperWorks在賽車研發(fā)過程中得到了深入的應(yīng)用，而這些應(yīng)用又促成了一個(gè)精簡的研發(fā)流程。目前，該隊(duì)已經(jīng)進(jìn)行 了賽車的零部件和系統(tǒng)級的虛擬測試。由于學(xué)生們時(shí)間有限，并且缺少資金投入，除了進(jìn)行諸如結(jié)構(gòu)安全性等強(qiáng)制性試驗(yàn)外已無條件再進(jìn)行其他的硬件測試。一開始就能獲得一個(gè)最優(yōu)外形和最輕重量的結(jié)構(gòu)，無疑成為GreenTeam最大的優(yōu)勢。

    “我們在賽車概念設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析流程中全程應(yīng)用HyperWorks，”斯圖加特大學(xué)GreenTeam網(wǎng)頁和有限元技術(shù)支持工程師MarcoMohl說，“它幫助我們減輕車身重量并獲得一臺更好、更快的賽車。非常高興能與Altair工程團(tuán)隊(duì)合作，他們?yōu)槲覀兲峁┝俗吭降募夹g(shù)支持。無論在軟件服務(wù)、技術(shù)培訓(xùn)、交流還是在技術(shù)支持方面，他們和我們一樣 對學(xué)生方程式賽車充滿了熱情。”   

    結(jié)論 

    優(yōu)點(diǎn):更輕、更快、更強(qiáng)

    斯圖加特大學(xué)兩個(gè)賽車團(tuán)隊(duì)都在尋求合適的車身重量以改善他們的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)流程。 對于RennTeam來說，利用HyperWorks仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的研發(fā)流程已經(jīng)幫助他們研發(fā)出一臺成功的學(xué)生方程式賽 車。HyperWorks及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化工具OptiStruct能夠：

    實(shí)現(xiàn)在保持結(jié)構(gòu)和車身原有剛度的情況下減少20%的車身重量 

    加速研發(fā)進(jìn)程 

    在學(xué)生方程式比賽中榮獲第一  

    同時(shí)，GreenTeam也實(shí)現(xiàn)了某些零件高達(dá)32%的減重，這些零件的原始設(shè)計(jì)都是在其CAD系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)工具中完成的。該隊(duì)利用OptiStruct獲得了顯著的結(jié)構(gòu)減重，不但降低了賽車燃油消耗而且獲得了更加出色的車輛動(dòng)力學(xué)性能。車輛本身即是一個(gè)運(yùn)行的樣機(jī)，最初的設(shè)計(jì)方向決定了車輛基本的框架。

    雖然該隊(duì)在2011年才完成了單體結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算，但現(xiàn)在他們正考慮使用一個(gè)改進(jìn)的模型以獲得一個(gè)最優(yōu)的整體 復(fù)材結(jié)構(gòu)。應(yīng)用虛擬仿真軟件，GreenTeam期望在下一代賽車上能夠?qū)崿F(xiàn)更加可觀的減重效果。

    利用HyperWorks及其OptiStruct優(yōu)化解決方案，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)：

    開辟了一套先進(jìn)且高度集成的研發(fā)流程 

    在保持或提高原有結(jié)構(gòu)剛度的基礎(chǔ)上顯著降低了車重 

    節(jié)省了時(shí)間和成本 

    節(jié)省了材料使用和減少了物理試驗(yàn)次數(shù)

    成功：一流的成績來自于一流的解決方案

    顯然，HyperWorks的使用對斯圖加特大學(xué)學(xué)生方程式賽車隊(duì)的成功產(chǎn)生了積極的影響。2011年Rennteam在學(xué) 生方程式競賽中排名世界第一，并贏得了自2005年來第10個(gè)單項(xiàng)冠軍。

    顯然，HyperWorks的使用對斯圖加特大學(xué)學(xué)生方程式賽車隊(duì)的成功產(chǎn)生了積極的影響。2011年Rennteam在學(xué) 生方程式競賽中排名世界第一，并贏得了自2005年來第10個(gè)單項(xiàng)冠軍。

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