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太阳能赛车的复合材料优化:利用Altair OptiStruct最小化车身和底盘重量

2014/11/27    来源:Altair        
关键字:复合材料  OptiStruct  轻量化  
本文介绍了使用OptiStruct技术,设计一辆仅使用太阳能的高性能赛车,满足最小化复合材料的车身和底盘重量的要求。结果显示:2012的设计相比于2009的设计减轻90kg;底盘满足且超出强度要求。

项目介绍

    世界太阳能挑战赛是一个3,000公里的比赛,从北部的达尔文市到南部的阿德莱德市,穿越澳大利亚整个内地。该赛事吸引了世界各地的学生和专业团队来设计、制造仅仅使用太阳能的赛车并进行比赛。这是一场性能的竞赛,展示了最新的技术,比如锂电池、太阳能电池以及最优的材料轻量化设计技术。赛车的设计重点聚焦在空气动力学和重量上,制造材料为航空铝合金、钛和碳纤维等材料。由于应用了这些材料,相对于商用汽车而言,太阳能赛车是非常轻的。进而言之,太阳能赛车比赛中的顶尖车队拥有最轻的赛车,归功于高级优化方法的应用。

    密歇根大学的太阳能车队通过应用Altair OptiStruct优化技术,从2009年的Infinium赛车设计到2012年的Quantum赛车设计,成功将重量减少了90kg。在2011世界太阳能挑战赛中,密歇根团队取得了第三名,这是美国队伍有史以来的最好成绩。这支队伍也取得了其它七项美国太阳能汽车挑战赛的冠军。

挑战

    顶尖团队建造的车辆完全采用复合材料的车身、底盘与下半身连接。整车主要分成两部分:上半身包含太阳能电池,下半身包含底盘和驱动总成。两部分都完全采用碳纤维-蜂窝夹芯的三明治结构,这样的结构拥有极高的强度-重量比。

    碳纤维车身的最终产品要足够坚固以应对所有的载荷工况,同时重量尽可能达到最轻。作为整车的骨干结构,底盘有着最复杂的载荷工况;它需要负载重物,如车手和电池,还要承受所有从地面沿悬挂系统传来的加速度冲击。为了满足这些要求,Infinium赛车的底盘由许多碳纤维-夹芯三明治结构的加强筋组成。这些加强筋采用许多片单向的碳纤维以加强悬挂周围的危险区域以及其它硬点。

    一些零件采用了过度设计以保证强度的要求,而且这些零件都必须与结构粘合剂以及碳纤维材料恰当相连,这样就增加了更多的重量。最初的Infinium赛车碳纤维车身设计没有经过优化,上下两部分各重41kg,车手重80kg,电池重超过73kg,整个赛车配置超过318kg。

    这种状况给Altair OptiStruct技术的应用提供了一个很好的机会。

解决方案

原始设计

    初始的底盘设计适合外壳造型,由空气动力学小组设计并完成。这个设计由前一代太阳能汽车修改而来,是一个浴缸式底盘。整个底盘被放置在一个浴缸形状的模具里,取代了把多个碳纤维的平板粘合在一起的方法。唯一的一个粘合缝位于底边长度方向,浴缸与底盘下半部分接触的地方。其制造优势是玻璃纤维模具由一个机加工插头成型得到,实际通过这个模具制造出来的碳纤维部件将不会有加工误差——悬挂硬点将被准确地一一放置。

图1 仿真结果显示底盘上的载荷传递路径

图1 仿真结果显示底盘上的载荷传递路径

图2 仿真结果显示单向的碳纤维最有效的分布位置

图2 仿真结果显示单向的碳纤维最有效的分布位置

责任编辑:吴星星
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