基于Inspire的FSCC赛车悬架立柱优化设计及CAE分析.pdf
《基于Inspire的FSCC赛车悬架立柱优化设计及CAE分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于Inspire的FSCC赛车悬架立柱优化设计及CAE分析.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第4 0 卷第4 期2023年8 月文章编号:10 0 5-0 52 3(2 0 2 3)0 4-0 0 8 6-0 7基于Inspire的FSCC赛车悬架立柱优化设计及CAE分析华东交通大学学报Journal of East China Jiaotong UniversityVol.40 No.4Aug.,2023杜雨恒1,贡哲蓉2,罗秋雨3,刘启洲1,岳琪玻1,肖兵1,彭必友1,刘俊4,杨杰4,陈刚1(1.西华大学材料科学与工程学院,四川成都6 10 0 39;2.阿里云计算有限公司,浙江杭州310 0 30;3.西华大学西华学院,四川成都6 10 0 39;4.四川攀钢嘉德精工科技有限公
2、司,四川成都6 10 0 0 0摘要:零件轻量化是机械制造领域的重要研究方向。以中国大学生方程式汽车大赛BTR-X的悬架立柱作为例,在分析其实际受力情况的基础上,利用Altair inspire form软件以最大化刚度为目标对其进行了减重设计和拓扑结构优化。得到了带刹入弯工况条件下两种不同设计方案的应力、应变值及安全系数,并对比了其优缺点。结果表明,在最佳优化方案中,BTR-X悬架立柱最大有效应力为557.4 MPa,减重18.4%,提升了车辆的操稳性,实现了其轻量化的目标,对进一步提升FSCC赛车的性能有一定的参考价值。最后,通过选择性激光烧结成功实现了优化悬架立柱结构的3D打印成型,为F
3、SCC赛车的轻量化设计及加工提供了新思路。关键词:FSCC赛车;悬架立柱;AltairInspireForm;拓扑优化CAE分析中图分类号:U214;TF142本文引用格式:杜雨恒,贡哲蓉,罗秋雨,等.基于Inspire的FSCC赛车悬架立柱优化设计及CAE分析.华东交通大学学报,2023,40(4):86-92.文献标志码:AOptimal Design and CAE Analysis of FSCC Racing SuspensionColumn Based on Altair Inspire Form SoftwareDu Yuheng,Gong Zherong,Luo Qiuyu,L
4、iu Qizhou,Yue Qibo,Xiao Bing,Peng Biyou,Liu Junt,Yang Jiet,Chen Gang(1.School of Materials Science and Engineering,Xihua University,Chengdu 610039,China;2.Alibaba Cloud Computing Co.,Ltd.,Hangzhou 310030,China;3.Xihua College,Xihua University,Chengdu 610039,China;4.Panzhihua Iron and Stel ResearchIn
5、stitute,Chengdu 610000,China)Abstract:The practice of lightweight parts is an important research direction in the field of mechanical manu-facturing.In this study,the suspension column of the Formula Student Combustion China(FSCC)BTR-X wastaken as an example.Based on the analysis of its actual force
6、,the Altair inspire form software was employed toperform weight reduction design and topology optimization with the goal of maximizing stiffness.The stress,strainvalues and safety factors of two different design schemes were obtained under the condition of entering the bendwith brakes,and then their
7、 advantages and disadvantages were compared.In the best optimization scheme ob-tained,the maximum effective stress of the BTR-X suspension column was 557.4 MPa,and the weight was re-duced by 18.4%,thus improving the stability of the vehicle.Accordingly,the lightweight goal was achieved,which has cer
8、tain reference value for further improving the performance of FSCC racing cars.Finally,the 3D收稿日期:2 0 2 2-12-12基金项目:四川省科技厅重点研发项目(2 0 2 2 YFG0366);四川省粉末冶金工程技术研究中心项目(SC-FMYJ2021-06)第4期printing molding process of the optimized suspension column structure has been successfully realized by selectivelaser
9、 sintering(SLS),providing a new route for the lightweight design and processing of FSCC racing cars.Key words:FSCC racing;suspension column;Altair Inspire Form;topology optimization;CAE analysisCitation format:DU Y H,GONG Z R,LUO Q Y,et al.Optimal design and CAE analysis of FSCC racing sus-pension c
10、olumn based on altair inspire form softwareJ.Journal of East China Jiaotong University,2023,40(4):86-92.杜雨恒,等:基于Inspire的FSCC赛车悬架立柱优化设计及CAE分析87中国大学生方程式汽车大赛(formula studentcombustionchina,FSCC)是中国汽车行业水平最高的大学生赛事,旨在培养具有优异创新设计能力、模拟仿真能力及实践动手能力的综合性人才,促进中国制造向中国创造转型1-2 。悬架立柱用于连接车架与车轮,其作用是把作用在车轮上的各种力(如支撑力、驱动力
11、、制动力等)及其力矩传递到车架上3。因此,悬架立柱的结构对赛车的驾驶操稳性有十分重要的影响。基于此,目前已有研究者从悬架结构形式选取、参数计算以及结构优化角度人手,提升悬架的结构和性能 48 。拓扑结构优化的原则是在不影响制件结构和刚度的前提下,重新设计结构的外形和几何形状,以获得最小成本或最小重量。如在汽车领域,研究人员使用拓扑结构优化方法对汽车底板结构进行重新设计,实现了减轻汽车总重量的目标。不仅提高了燃油效率,还有效降低了生产和维护成本。在航空领域,使用拓扑结构优化可获得更轻量化的飞机结构。如波音公司使用拓扑结构优化的方法重新设计了7 7 7 X飞机的机翼结构,有效改善了机翼的空气动力学
12、性能。实现零部件的轻量化设计对提升整个部件的贡献巨大9。拓扑结构优化不仅在航空和汽车等领域已经得到了广泛的应用和研究,取得了重要的成果。同时,在FSC赛车领域,拓扑结构优化可以被用来重新设计底盘结构、车身外壳等部件,以实现更轻量化的设计和更好的性能。如Jiang等利用有限元法对FSC赛车车架的刚度和振动模态进行了分析,优化后的车架减重7.18%l0。关亮亮等首先利用CA-TIA对悬架立柱进行了三维建模,之后利用ANSYS对悬架立柱进行了静力学分析,发现前后立柱的最大应力均小于材料的屈服极限45 5 MPa,安全系数为3.3,满足使用需求。Shi等利用MATLAB设计了FSC赛车的转向梯形机制,
13、减少了轮胎的磨损,保证了良好的转向能力和抓地力。Yang等计算了后轮轮毂在不同工况下的力学参数,结果表明优化设计后的后轮轮毂可减重约2 0%13 。Ye等利用Hypermesh分析了汽车转弯时所需的承载构件扭转刚度,并优化了零部件的结构,发现模拟横向碰撞的最大变形为14.5 7 mm,最大应力为13 6 MPa,可保证驾驶员的安全 14。AltairInspireForm软件可用于子优化设计,并模拟制造工艺过程,引起了越来越多轻量化设计研究者的关注 15-18 。本文以第十届FSCC赛车BTR-X的悬架立柱作为研究对象,利用CATIA建立起三维模型,之后对赛车参数和悬架立柱受力进行了分析,得到
14、符合实际的工况条件。在此基础上,采用Altair InspireForm软件,以满足强度、刚度要求为设计目标,完成了悬架立柱的应力分析及优化重构,并实现其结构轻量化。1赛车主要参数本文所用的FSCC赛车主要参数如表1所示。表中参数除轴距、轮距在设计与制造装配过程中能够较精确保证和控制之外,其余参数均为目标参数。表1BTR-X主要参数Tab.1 Main parameters of BTR-XParameterValueTotal mass245 kgCurb weight180 kgWheelbase1 560 mmFront track1 160 mmRear track width1 12
15、0 mmCentroid heightMinimum turningLength2.700 mmWidth1 350 mmParameterHeightFront overhangRear overhangFront and rearaxle load ratioradiusValue1 080 mm740 mm370 mm45:55280 mm3.3 m882悬架立柱受力计算在FSCC赛事中,为提高每圈的赛道成绩,赛道行驶设置很多弯,但在进弯前又不可把速度降到允许的最大弯速度附近,所以参赛选手会普遍用到带刹人弯 19 。带刹人弯也称为“循迹刹车”,带着刹车人弯,使赛车重心前移,前轮抓地力提升
16、,最大限度地逼近最大转弯速度,到了急转弯处刚好减速到位,缩短过弯的时间。可见,带刹人弯是大学生方程式赛车中较为常见的一种车辆行驶工况,也是较为恶劣的一种工况。因此,本文选择的受力工况为带刹人弯,在此基础上分析前悬立柱的受力情况,如表2所示。表2 前悬零件受力及参数表Tab.2Forces and parameters of front suspension partsParameterFFLLL3TBTBDaFFL4L682.1制动卡钳安装座受力计算FFBuy工FBuyFBUL3FBLyFBIz图1卡钳安装座受力简图Fig.1 Force diagram of caliper mounting
17、 seat华东交通大学学报图1为卡钳安装座受力简图,在冲击因数为1的情况下,由受力平衡可得FBuz+FBL:=FBF L3-FBuyL2=0FBuz=FBlz=Fr/2=2 053.2 NFruy=Fely=(Fg Ls)/L2=1 231.93 N2.2轴承座受力计算LIOFH区FBFBlzFFValueParameter1 455.3 NF1787.9 N39 mm70.8 mm21 mm79.74 mm47.25 mm1 874.9 N4.52.516.9 N11.6 mm70.6 mm202023年Fa区区FBlzValueF2524.9 N2Lo50.8mmL270 mmR225mm
18、THa50 mmF2 461.1 NF4 106.4 NB3F1 453.3 NLs60.5 mm5.43.6FBLyFu图2 Z轴方向上轴承座受力简图Fig.2 Force diagram of the bearing housing along theZ-axisFFLL区FBox图3 X轴方向上轴承座受力简图Fig.3 Force diagram of the bearing housing along theX-axis图2 和图3 为轴承的受力简图,根据受力平衡条件计算可得-F,L-FBo Lp+F,r+Fg-Lo=OFro,=Fboz=(F,r+FgLo-F/L1)/L,=16 1
19、43.3 N-F,Li+Feox:Li=0Feox=FBo=(F L,)/L,=2 624 NF+FBoz-FB-FBL,=0FBL=FBL=F,+FBoz-Fg=13 912 NF,+FeLx-FBo=0Fex=FeL=Feox-F,=1 186.7 NF,-Fi=0Fo区FBk区第4期3悬架立柱优化AltairInspire内部搭载了功能强大的Altair杜雨恒,等:基于Inspire的FSCC赛车悬架立柱优化设计及CAE分析Fiy=Fuy=F,=2 461.1 N89上OptiStruct求解器,是一个经过工业验证的线性和非线性静力学及振动力学求解器,已广泛应用于工业结构设计及优化设计领
20、域如基于应力、疲劳的优化等。一般来说优化设计主要包括优化目标、工况条件及约束条件3 个要素,优化目标不同对应的数学模型也不同。利用AltairInspire软件进行仿真驱动设计分为以下几个步骤:草绘或输人模型;简化零件;设置相应的材料和载荷;产生理想的形状;确认性能;将概念设计输出为CAD几何模型。拓扑结构优化的基本原理是基于有限元分析的最小势能原理,即对于一个特定的载荷和边界条件,通过在结构中去除不必要的材料,最大限度地减少其势能,并使结构保持足够的刚度和强度。本研究以悬架立柱的静力学刚度最大化为目标,以设计空间体积分数为约束条件,其优化原理的数学语言如下 2 0 FindX=(xi,x2,
21、x3,x;/TeminC(X)=-UKU2NS.:Zv(a.)Vi=1F=KU,0 xminx;xmx1,(i=1,2,.,N)式中:X为设计变量,2 为设计变量的集合,C为柔度,U为结构位移,K为刚度矩阵,F为载荷矩阵,V(x)为体积约束函数,V*为体积限制分数值,i为单元变量,xmin为设计变量下限值,xmx为设计变量上限值。基于Altair Inspire的优化机理,本研究的悬架立柱优化原则和思路如下。降低主销偏移距:由于选用的赛车车轮的偏心距较小,因此在设计前立柱时,需尽量使上、下臂与立柱的铰接点在不与其他零件发生干涉的前提下尽量靠近车轮中心线,以减小转向主销偏移距和转向所需要的力矩;
22、采用轻质材料降低质量:选用钛合金,以减小立柱的整体质量;由于几何空间干涉原因,在保证转向推杆安装位置的前提下,没有多余的空间安装支耳连接立柱和转向推杆,因此只对悬架立柱支耳和立柱体进行结构优化。(a)Load constraintdistribution(c)First principal(d)First principal(e)Safety factorstress图4未优化前悬架立柱的有限元分析Fig.4Finite element analysis of unoptimized frontsuspension pllar首先对未优化前的悬架立柱进行了CAE分析,如图4所示。按照前述受力计
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 Inspire FSCC 赛车 悬架 立柱 优化 设计 CAE 分析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。