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

    行业：汽车

    挑战：设计一辆仅使用太阳能的高性能赛车

    Altair 解决方案：使用OptiStruct最小化复合材料的车身和底盘重量

    优点：2012的设计相比于2009的设计减轻了90kg；

    背景介绍 

    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。太阳能赛 车比赛中的顶尖车队拥有最轻的赛车，往往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。  

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    “OptiStruct帮助我们实现了Quantum太阳能赛车的创新轻量化设计。” 

                                                                                                    AndrewHuang 

                                                                                                    密歇根大学太阳能汽车团队首席机械工程师                                                                                                            

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    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。

    分析和优化

    初始的底盘建立之后，数据被导入AltairHyperMesh——HyperWorks中与OptiStruct高度集成的前处理模块。模型完全由曲面组成，所以用壳单元来模拟。所有曲面都被赋予复合材料属性，并指定适当的碳纤维分层、夹芯等。包围着夹芯的碳纤维被赋予一个pseudo-isotropic属性。最外层是碳织，很多层单向的碳纤维被分成不同的角度——完整一圈360°，增量为30°。载荷被加载在适当的位置，定义各种材料的性质，然后OptiStruct进行拓扑优化计算，经过多次迭代，可以得到唯一的一个结果。

    最终设计    

    经过在OptiStruct中多次模拟，所有的结果都纳入考虑，把底盘分解成由不同的碳纤维分层组成的离散区域。制造约束包含碳纤维堆层厚度和不同区域的形状复杂性。所有区域保持简单并高效以避免分析和制造过于复杂。最终模型在HyperMesh中完成，使用3D单元以保证底盘足够的强度。碳纤维堆层再次被使用复合材料壳单元建模，并指定对应的分层。夹芯材料使用3D六面体单元，以获取正确的应力并找出整个底盘最薄弱的地方。

网格中靠近后悬挂的地方，不同的夹芯属性使用不同的颜色。HyperMesh在指定各向异性的材料属性方面特别有帮助，这一点在其它有限元分析软件中难以实现。   

    结论 

    所有的结果分析表明底盘满足或超出强度要求，团队成员完成了车辆的建模。所有的编织、单向碳纤维和蜂窝夹芯 都被切割成型。底盘浴缸形状的模具里面的材料被指定了正确的铺层顺序和方向，再加热到250°F，并被切割成型。平 板被做成浴缸周围的支撑肋板。最后所有的零件都被粘合到下半部分以组成一个完整的单体壳底盘。最终整个单体壳底盘仅重19kg，比Infinium赛车的重量轻大于20kg。类似的设计方法也被应用到上半部分，同样节省约20kg。最后的50kg减重来自于Quantum赛车的电池。总而言之，OptiStruct求解器在优化Quantum赛车的碳纤维结构中扮演了极其重要的角色，并使团队可以充分利用复合材料的优势。

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