HyperWorks迎接学生方程式赛车的严峻挑战

项目介绍

学生方程式竞赛是一项国际性的大学生设计竞赛，该赛事由美国汽车工程师学会（SAE）于1981年提出并于1998年在欧洲推广。SAE指出，该项比赛的宗旨是“通过小型、方程式车辆竞赛来训练本科生和研究生的构思、设计及生产能力。”多年来，学生们已经研发出创新的内燃动力车，并从2010年开始举办了电动车竞赛项目。 车辆越轻，车辆的加速和操纵性能越好，车辆也越省油。发车时，学生方程式赛车重量通常在150Kg到300Kg之间。这一数值很大程度取决于车身的优化程度以及队员们的设计理念（如轻量化设计会使用单缸发动机配备10寸轮毂，而动力性设计会使用4缸发动机配备13寸轮毂）。通常情况下，新团队设计的赛车的优化程度要低于经验丰富团队的设计方案。学生方程式竞赛分为静态项目（工程设计、成本分析、商业计划演示等）和动态项目（防滑性、加速性、越野性、耐力性以及燃油经济性等）两类。由于大多数团队没有足够的资金生产多个原型赛车或进行大量的物理试验，他们不得不求助于虚拟设计方法来获得最佳的设计方案。近来，斯图加特大学的两支队伍在比赛中表现出色。这一成绩均得益于赛车生产之前HyperWorks软件在设计方案模拟和车辆减重方面的应用。两队的动力系统不同，但在HyperWorks应用上都获得了显著的成效。

挑战

在减轻重量的同时提高车身性能是学生方程式赛车设计生产的根本途径。因此，两支队伍均采用OptiStruct——HyperWorks基于有限元方法的结构优化工具，对他们的设计方案进行优化，两队不同车型在类似的优化需求下均获得了较好的结果。

RennTeam每年都会设计生产一辆全新的内燃动力赛车。有些零件是根据已往赛车优化而来，有些零件则需要全新设计。他们2012赛季的赛车重量目标定位在175Kg到185Kg之间。由于装有集成充电电池，GreenTeam的电动车要比一般的内燃动力车重一些。因此，电动车组的所有团队都将面临可能的车身减重以补偿沉重的发动机对赛车性能影响的问题。使用传统研发流程和工具，学生们需要进行大量的虚拟设计计算和物理试验。然而，学生的资源毕竟有限，他们不得不寻求新的设计方法，尽可能在赛车生产前优化各个零部件的重量并提高零件的刚度和性能。而OptiStruct则被证明是实现这一目标的最佳工具。

解决方案

利用OptiStruct两队均找到了减重和研发高性能赛车的新方法。相对往年赛车，RennTeam使用仿真和优化工具，实现了大多数零件20%的减重。为达到这一目标，该队在整个研发过程中全程使用HyperWorks软件。通过减少材料使用量以及轮毂、轮轴、轮架、转向节以及车身尾部结构等关键零件的重新设计，他们实现了15Kg的车辆减重。

在CAD系统中对最优方案进行整理后，RennTeam使用HyperMesh进行网格划分、使用RADIOSS进行仿真计算，然后在HyperView中进行结果后处理。学生们发现如果在CAD建模之前进行结构优化，应用仿真驱动设计的研发流程能够找到更多减重的可能。该流程包括设计空间和边界条件的定义、OptiStruct拓扑优化设置、CAD模型几何清理、网格划分、求解和结果后处理等几个步骤。应用这一流程，学生们能够更快获得一个满足功能和刚度要求且重量最优的零件。

“我们相信HyperWorks的分析结果，赛车上几乎每一个零件都会用它来分析。”斯图加特大学RennTeam负责 F0711-7传动系统的Sergej Danilov说，“我们非常感谢能够获得如此高效的技术支持。Altair为团队成员提供了技术培训并开展了相关研讨会，这对我们的日常工作是非常有帮助的。”

在2011和2012年，GreenTeam也大量应用HyperWorks软件。从网格划分到优化分析再到高级结果报告，HyperWorks在赛车研发过程中得到了深入的应用，而这些应用又促成了一个精简的研发流程。目前，该队已经进行了赛车的零部件和系统级的虚拟测试。由于学生们时间有限，并且缺少资金投入，除了进行诸如结构安全性等强制性试验外已无条件再进行其他的硬件测试。一开始就能获得一个最优外形和最轻重量的结构，无疑成为GreenTeam最大的优势。

“我们在赛车概念设计和优化分析流程中全程应用HyperWorks，”斯图加特大学GreenTeam网页和有限元技术支持工程师Marco Mohl说，“它帮助我们减轻车身重量并获得一台更好、更快的赛车。非常高兴能与Altair工程团队合作，他们为我们提供了卓越的技术支持。无论在软件服务、技术培训、交流还是在技术支持方面，他们和我们一样对学生方程式赛车充满了热情。”

结论

优点:更轻、更快、更强

斯图加特大学两个赛车团队都在寻求合适的车身重量以改善他们的设计和生产流程。

对于RennTeam来说，利用HyperWorks仿真驱动设计的研发流程已经帮助他们研发出一台成功的学生方程式赛车。HyperWorks及其结构优化工具OptiStruct能够：

Ø  实现在保持结构和车身原有刚度的情况下减少20%的车身重量

Ø  加速研发进程

Ø  在学生方程式比赛中荣获第一

同时，GreenTeam也实现了某些零件高达32%的减重，这些零件的原始设计都是在其CAD系统中的设计工具中完成的。该队利用OptiStruct获得了显著的结构减重，不但降低了赛车燃油消耗而且获得了更加出色的车辆动力学性能。车辆本身即是一个运行的样机，最初的设计方向决定了车辆基本的框架。

虽然该队在2011年才完成了单体结构的分析计算，但现在他们正考虑使用一个改进的模型以获得一个最优的整体复材结构。应用虚拟仿真软件，GreenTeam期望在下一代赛车上能够实现更加可观的减重效果。

利用HyperWorks及其OptiStruct优化解决方案，两个团队：

Ø  开辟了一套先进且高度集成的研发流程

Ø  在保持或提高原有结构刚度的基础上显著降低了车重

Ø  节省了时间和成本

Ø  节省了材料使用和减少了物理试验次数

成功：一流的成绩来自于一流的解决方案

显然，HyperWorks的使用对斯图加特大学学生方程式赛车队的成功产生了积极的影响。2011年Rennteam在学生方程式竞赛中排名世界第一，并赢得了自2005年来第10个单项冠军 。GreenTeam则在2011年意大利比赛中在37个电动车参赛队伍中名列第二,目前在世界学生方程式电动车竞赛中排名第三。

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