摘 要:為保持大學(xué)生方程式賽車力學(xué)性能不變,通過對車架不同部位的鋼管進(jìn)行減重來提升動(dòng)力性能和減少燃油消耗,特對車架鋼管厚度進(jìn)行尺寸優(yōu)化??紤]到車行駛時(shí)受到彎扭等多種工況對車架的影響,在滿足車架各項(xiàng)性能要求前提下,對車架進(jìn)行尺寸優(yōu)化,有限元分析結(jié)果標(biāo)明,對車架鋼管厚度進(jìn)行重新設(shè)計(jì),說明尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對進(jìn)行方程式賽車車架優(yōu)化的有效性和可行性。
關(guān)鍵詞:有限元;OptiStruct;尺寸優(yōu)化;結(jié)構(gòu)優(yōu)化
前言
汽車的輕量化,就是在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下,盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量,從而提高汽車的動(dòng)力性,減少燃料消耗,降低排氣污染。實(shí)驗(yàn)證明,若汽車整車重量降低10%,燃油效率可提高6%-8%;汽車整備質(zhì)量每減少100公斤,百公里油耗可降低0.3-0.6升;汽車重量降低1%,油耗可降低0.7%。大學(xué)生方程式賽車輕量化,就是在保證汽車強(qiáng)度、剛度等不變的前提下,盡可能降低整車質(zhì)量,尤其是車架的優(yōu)化對提高汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性具有重要作用。針對車架的尺寸優(yōu)化,必須同時(shí)滿足下面幾個(gè)要求[2]:(1)車架的剛強(qiáng)度必須滿足動(dòng)力總成要求,(2)車架的固有頻率必須避開路面激勵(lì)、發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)等頻率范圍,防發(fā)生共振。
1 車幾何模型和有限元模型
1.1 車架三維模型
根據(jù)中國大學(xué)生方程式賽車車架結(jié)構(gòu)要求及布局[1],如圖1,采用CATIA設(shè)計(jì)如下圖2所示的車架。
1.2 有限元模型建模
若采用實(shí)體網(wǎng)格對車架進(jìn)行網(wǎng)格劃分較麻煩,建模時(shí)對車架采用桿單元來進(jìn)行模擬,然后賦予桿單元圓管截面。網(wǎng)格劃分時(shí)采用ID中l(wèi)ine mesh中的bar2單元來進(jìn)行模擬,不同顏色賦予不同的屬性 ,材料均采用4130鋼材。
1.3 車架模態(tài)分析
運(yùn)用有限元計(jì)算方法求取賽車車架固有頻率和固有振型來避開因各種振動(dòng)而引起的共振。賽車的激勵(lì)源主要有來自路面激勵(lì),頻率通常低于20Hz,發(fā)動(dòng)機(jī)怠速為 3000r/min時(shí),頻率100Hz左右,發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速7000~10000r/min 時(shí),由公式得頻率在233~333Hz之間,為避開車架的共振區(qū),就是要各種激勵(lì)頻率與車架各級(jí)固有頻率不能太相近[3]。求解車架去除剛體模態(tài)后的前20階模態(tài)。
模態(tài)分析前6階是零頻率的剛體模態(tài),自然頻率為0,從第7階開始計(jì)算才是結(jié)構(gòu)的彈性模態(tài)頻率。車架在彎曲,扭轉(zhuǎn)等情況下的固有頻率和振型描述,計(jì)算結(jié)果如表1 所示:
由表1可知,車架最低振動(dòng)頻率為22.47Hz,大于20Hz,避開了路面不平引起的振動(dòng)頻率,第20階模態(tài)為116.63Hz,低于發(fā)動(dòng)機(jī)怠速引起的振動(dòng)頻率,所以該車架不會(huì)發(fā)生共振。
1.4 車架彎扭剛度分析
剛度的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度等,車架的扭轉(zhuǎn)剛度是影響力學(xué)性能的重要指標(biāo)。模擬車架彎扭變形,對車架后輪轉(zhuǎn)向節(jié)出進(jìn)行約束6個(gè)方向的自由度,對彎曲剛度分析施加如圖所示的力3000N,扭轉(zhuǎn)剛度分析施加上下正負(fù)1000N,如圖7所示:
有限元結(jié)果表明:車架結(jié)構(gòu)受到的最大應(yīng)力為 262.2MPa遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于車架所選用4130鋼管材料的許用應(yīng)力為785MPa。而車架整體變形量最大量為14.4mm,這種最大變形量低于車架許可承載變形量,滿足設(shè)計(jì)要求[4]。
2 車架尺寸優(yōu)化
2.1 建立優(yōu)化模型
2.2 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型
根據(jù)提出的數(shù)學(xué)模型[5],在OptiStruct中定義設(shè)計(jì)變量(Design Variable),優(yōu)化響應(yīng)(Optimization Response)、優(yōu)化約束(Optimization Constraint)和優(yōu)化目標(biāo)(Objective)等優(yōu)化參數(shù)后提交軟件進(jìn)行優(yōu)化分析。
點(diǎn)擊Import,選擇有限元優(yōu)化結(jié)果中的.prop文件(.prop包含了經(jīng)優(yōu)化過后的所有鋼材尺寸半徑),勾選FE overwrite,導(dǎo)入到原始模型中用以取代初始給定的鋼材尺寸內(nèi)外半徑,重新生成的模型如圖10所示。
優(yōu)化后,質(zhì)量隨迭代次數(shù)逐漸減小,未優(yōu)化前車架質(zhì)量為42kg,優(yōu)化后質(zhì)量變?yōu)?8.5kg,優(yōu)化后車架減重13.5kg。
由圖11、12、13可知優(yōu)化后質(zhì)量不僅減少了,而且變形也相較之前變小了,最大應(yīng)力變?yōu)?03.6MPa。
3 結(jié)束語
文章采用OptiStruct對車架尺寸內(nèi)外半徑進(jìn)行優(yōu)化,在滿足車架剛度不變的前提下,優(yōu)化后的車架最大變形量和最大應(yīng)力均減少,且質(zhì)量減少了近13.5kg,這將大大提高賽車的整體性能和燃油經(jīng)濟(jì)性 ,大大縮短了車架研發(fā)周期,提高了效率。
參考文獻(xiàn)
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