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,受力情況復雜,所以其結(jié)構(gòu)的設計尤為重要。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計區(qū)和非設計區(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計區(qū),紅色部分為設計區(qū)。最終得到的網(wǎng)格數(shù)量為6569,節(jié)點數(shù)量為10543。

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圖1 搖臂幾何模型

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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的孔上。并施加相應的邊界條件,最終的邊界條件和載荷如圖所示:

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表1 搖臂載荷

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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置之后運用RADIOSS進行靜力學分析。得到如下結(jié)果:

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圖4 變形云圖

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圖5 應力云圖

由應力云圖可知,最大變形量為0.0754mm,大應力為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)化的設計變量

定義設計區(qū)的“單元密度”為設計變量?？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。則最大應力不能超過392.5MPa。設置應力約束為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。所以我們設置靜態(tài)柔度為響應變量而非位移。

創(chuàng)建體積分數(shù)的響應volumefrac和靜態(tài)柔度的響應compliance。設置體積分數(shù)為約束條件并設置其上限為0.6,即減重40%。設置靜態(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:

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圖6 單元密度

計算完成之后運用OSSmooth導出優(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:

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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:

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圖8 優(yōu)化后變形

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圖9優(yōu)化后應力

可知,優(yōu)化后的最大變形為0.221mm,最大應力為249MPa。雖然最大變形和應力都有所增大,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%。基本達到了預期目標,存在誤差是因為重新設計的模型與拓撲優(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賽車設計的重要意義。

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