При разработке гоночного автомобиля легковесная концепция всегда находится на переднем плане. Облегченные конструкции могут быть реализованы двумя способами:
- С одной стороны, могут быть использованы материалы с низкой плотностью. Это позволяет очень легко сэкономить вес без особых усилий.
- Другой способ уменьшить вес - оптимизировать геометрию компонента. Компоненты всегда должны быть сконструированы таким образом, чтобы они оптимально подходили для предполагаемой цели и поэтому не весили без необходимости. Это непростая задача, особенно для более крупных компонентов с различными многоосными нагрузками. Здесь вступает в силу область «оптимизации топологии».
High Speed Karlsruhe, студенческая команда Formula в Университете прикладных наук Карлсруэ, использует Ansys Workbench главным образом для проектирования FEM монокока из сэндвич-конструкции с углеродным сердечником. Со времени последнего обновления Workbench 17.1 Ansys предложила возможность оптимизации топологии. Это позволяет определять легкую и в то же время жесткую геометрию компонентов путем указания максимального места установки, приложенных усилий и условий хранения.
Картинная галерея
метод
Во-первых, необходимо создать модель САПР, которая определяет максимальное пространство для установки компонента. Все подшипники и точки приложения силы также должны быть указаны в этой модели. На следующем шаге нагрузки должны быть определены с соответствующими условиями хранения. Твердая модель затем объединяется в сеть. На последнем шаге настройки выбраны. Здесь вы должны определить цель, с которой вы хотите оптимизировать. Ansys 17.1 предлагает оптимизацию на основе веса или жесткости при сохранении граничных условий, таких как пики напряжения или максимальный вес. Затем решатель итеративно определяет оптимальную структуру для ранее определенных случаев нагрузки, соблюдая при этом граничные условия оптимизации.
Определение места установки
Для нового автомобиля от High Speed Karlsruhe, F-111, корпус рулевого управления был оптимизирован топологически в этом сезоне. Основная задача рулевого корпуса - направлять и поддерживать рулевой вал. Универсальный шарнир также прикреплен к нему. Кроме того, рулевые силы и внешние силы выводятся через корпус рулевого управления.
Сначала была создана модель пространства установки. Пространство для корпуса рулевого управления в транспортном средстве в основном ограничено внутренними размерами монокока. В дополнение к внешним размерам, площадь модели рулевого вала также должна быть чистой в месте установки. Кроме того, точки подключения уже определены в монококе и поэтому должны также учитываться в модели пространства установки.
Определение вариантов нагрузки
Для механического статического анализа, который проводится перед каждой оптимизацией топологии, были определены три варианта нагрузки. С одной стороны, на рулевых упорах возникают большие силы, то есть при поворотах на максимум. Корпус рулевого механизма также должен поглощать растягивающие и сжимающие усилия на рулевом валу. Нагрузка также должна быть закрыта, если водитель поддерживает себя на руле в случае аварийного выхода. Коробка рулевого управления хранится на пяти позициях в монококе. Вставки ламинированы в монокок в четырех из этих мест и поэтому могут рассеивать силы во всех направлениях как неподвижные подшипники; подшипник может воспринимать только силы в плоскости.
Определение условий езды на велосипеде
После подключения граничные условия для оптимизации должны быть указаны на вкладке «Оптимизация топологии». Для корпуса рулевого управления целью было минимизировать соответствие. Максимальная массовая доля модели пространства установки, которую должна иметь конечная структура, может быть указана на вкладке «Массовый отклик».
Проверьте дизайн
После оптимизации топологии необходимо выполнить проверку конструкции на максимальные деформации / напряжения. Это делается путем преобразования результирующей структуры в твердое тело. Затем он снова загружается в статически-механический анализ в Workbench и загружается с ранее определенными случаями нагрузки. В этих контрольных симуляциях с различными версиями наиболее убедительным был вариант с пятью процентами массы.
Производство в процессе 3D лазерного спекания
После этой имитации управления компонент может быть запущен в производство с небольшими изменениями конструкции. Например, слегка волнистая поверхность была сглажена чуть позже. Кроме того, толщина стенок в точках винта была отрегулирована, а сопрягаемые поверхности были реконструированы. Превращение в твердое тело сделало их несколько неточными. Планируется, что рулевой корпус будет изготовлен спонсором университетской команды с использованием 3D лазерного спекания.
Используя оптимизацию топологии, High Speed Karlsruhe удалось не только сэкономить около 20% веса, но и уменьшить нагрузку на внутреннее производство. На спеченном рулевом кожухе следует фрезеровать только посадки. Затем компонент может быть установлен и испытан непосредственно в автомобиле. (Mz)
Вебинар по оптимизации топологии с Ansys
Нажмите здесь, чтобы записать вебинар по оптимизации топологии с Ansys.