行業：汽車

    挑戰：設計一輛僅使用太陽能的高性能賽車

    Altair 解決方案：使用OptiStruct最小化復合材料的車身和底盤重量

    優點：2012的設計相比于2009的設計減輕了90kg；

    背景介紹 

    世界太陽能挑戰賽是一個3,000公里的比賽，從北部的達爾文市到南部的阿德 萊德市，穿越澳大利亞整個內地。該賽事吸引了世界各地的學生和專業團隊來設 計、制造僅僅使用太陽能的賽車并進行比賽。這是一場性能的競賽，展示了最新 的技術，比如鋰電池、太陽能電池以及最優的材料輕量化設計技術。賽車的設計 重點聚焦在空氣動力學和重量上，制造材料為航空鋁合金、鈦和碳纖維等材料。 由于應用了這些材料，相對于商用汽車而言，太陽能賽車是非常輕的。太陽能賽 車比賽中的頂尖車隊擁有最輕的賽車，往往歸功于高級優化方法的應用。 

    密歇根大學的太陽能車隊通過應用Altair OptiStruct優化技術，從2009年的 Infinium賽車設計到2012年的Quantum賽車設計，成功將重量減少了90kg。在2011 世界太陽能挑戰賽中，密歇根團隊取得了第三名，這是美國隊伍有史以來的最好 成績。這支隊伍也取得了其它七項美國太陽能汽車挑戰賽的冠軍。    

    挑戰 

    頂尖團隊建造的車輛完全采用復合材料的車身、底盤與下半身連接。整車主要分成兩部分：上半身包含太陽能電池，下半身包含底盤和驅動總成。兩部分都 完全采用碳纖維-蜂窩夾芯的三明治結構，這樣的結構擁有極高的強度-重量比。

    碳纖維車身的最終產品要足夠堅固以應對所有的載荷工況，同時重量盡可能達到最輕。作為整車的骨干結構，底盤有著最復雜的載荷工況；它需要負載重物，如車手和電池，還要承受所有從地面沿懸掛系統傳來的加速度沖擊。為了滿足這 些要求，Infinium賽車的底盤由許多碳纖維-夾芯三明治結構的加強筋組成。這些加強筋采用許多片單向的碳纖維以加強懸掛周圍的危險區域以及其它硬點。

    一些零件采用了過度設計以保證強度的要求，而且這些零件都必須與結構粘合劑以及碳纖維材料恰當相連，這樣就增加了更多的重量。最初的Infinium賽車碳纖維車身設計沒有經過優化，上下兩部分各重41kg，車手重80kg，電池重超過 73kg，整個賽車配置超過318kg。  

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    “OptiStruct幫助我們實現了Quantum太陽能賽車的創新輕量化設計。” 

                                                                                                    AndrewHuang 

                                                                                                    密歇根大學太陽能汽車團隊首席機械工程師                                                                                                            

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    解決方案

     原始設計

    初始的底盤設計適合外殼造型，由空氣動力學小組設計并完成。這個設計由前一代太陽能汽車修改而來，是一個浴 缸式底盤。整個底盤被放置在一個浴缸形狀的模具里，取代了把多個碳纖維的平板粘合在一起的方法。唯一的一個粘合縫位于底邊長度方向，浴缸與底盤下半部分接觸的地方。其制造優勢是玻璃纖維模具由一個機加工插頭成型得到，實際 通過這個模具制造出來的碳纖維部件將不會有加工誤差——懸掛硬點將被準確地一一放置。

    分析和優化

    初始的底盤建立之后，數據被導入AltairHyperMesh——HyperWorks中與OptiStruct高度集成的前處理模塊。模型完全由曲面組成，所以用殼單元來模擬。所有曲面都被賦予復合材料屬性，并指定適當的碳纖維分層、夾芯等。包圍著夾芯的碳纖維被賦予一個pseudo-isotropic屬性。最外層是碳織，很多層單向的碳纖維被分成不同的角度——完整一圈360°，增量為30°。載荷被加載在適當的位置，定義各種材料的性質，然后OptiStruct進行拓撲優化計算，經過多次迭代，可以得到唯一的一個結果。

    最終設計    

    經過在OptiStruct中多次模擬，所有的結果都納入考慮，把底盤分解成由不同的碳纖維分層組成的離散區域。制造約束包含碳纖維堆層厚度和不同區域的形狀復雜性。所有區域保持簡單并高效以避免分析和制造過于復雜。最終模型在HyperMesh中完成，使用3D單元以保證底盤足夠的強度。碳纖維堆層再次被使用復合材料殼單元建模，并指定對應的分層。夾芯材料使用3D六面體單元，以獲取正確的應力并找出整個底盤最薄弱的地方。

網格中靠近后懸掛的地方，不同的夾芯屬性使用不同的顏色。HyperMesh在指定各向異性的材料屬性方面特別有幫助，這一點在其它有限元分析軟件中難以實現。   

    結論 

    所有的結果分析表明底盤滿足或超出強度要求，團隊成員完成了車輛的建模。所有的編織、單向碳纖維和蜂窩夾芯 都被切割成型。底盤浴缸形狀的模具里面的材料被指定了正確的鋪層順序和方向，再加熱到250°F，并被切割成型。平 板被做成浴缸周圍的支撐肋板。最后所有的零件都被粘合到下半部分以組成一個完整的單體殼底盤。最終整個單體殼底盤僅重19kg，比Infinium賽車的重量輕大于20kg。類似的設計方法也被應用到上半部分，同樣節省約20kg。最后的50kg減重來自于Quantum賽車的電池。總而言之，OptiStruct求解器在優化Quantum賽車的碳纖維結構中扮演了極其重要的角色，并使團隊可以充分利用復合材料的優勢。

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