高校——基于Abaqus的FSAE赛车后轮毂结构优化.pdfVIP

基于Abaqus 的FSAE 赛车后轮毂结构优化 俞晓强 （同济大学 航空航天与力学学院，上海 200000） 摘要：本文采用有限元方法以及变密度法的拓扑优化方法，使用ABAQUS 软件的优化模块对FSAE 方程式 赛车后轮结构进行重新优化设计，解决了多工况，多设计变量以及非线性等问题，成功完成了轮毂的轻量 化要求的同时有效改善了轮毂的结构特性。 关键词：FSAE ；拓扑优化；ABAQUS 1、研究介绍 以达到 0.9g，1.6g， 2.0g 。基于以上的极限工况对 FSAE （大学生方程式）赛车是完全由在校大学 FSAE 赛车后轮进行受力分析如表1 所示。其中轮毂 生自己设计制作的单座小型方程式赛车，并参加国 在制动工况下各个方向的受力均比其他两个工况小， 内外一系列大学生方程式赛事。随着赛车稳定性的 因此本文仅考虑加速和转向工况。 逐年提高，赛车的轻量化的重要性在比赛中的重要 表1 轮毂受力 性越来越明显，尤其是簧下系统的轻量化对赛车的 方向 加速 制动 转向 性能提升有着非常重要的意义。 X 1000N -600N 0N 轮毂作为FSAE 赛车簧下系统的重要组成部分， Y 0N 0N 2500N 不仅需要承担复杂且苛刻的载荷工况，而且其质量 Z 810N 400N 1250N 对赛车悬架系统的响应性、稳定性等又具有非常大 的影响。 轮毂通过轴承与立柱连接，因此不能直接对轮 传统的轮毂结构通过数控机床加工而成，材料 毂进行分析，还需要考虑轮毂轴承之间的非线性接 采用牌号为7075 的航空铝，必要时需要对其进行表 触，这使得问题更为复杂。 面阳极氧化处理。 3、有限元模型建立 根据零件基本设计要求建立原始几何模型，减 少人为设计特征，将主要的概念设计工作通过软件 计算完成。 在拓扑优化过程期间，软件需要反复对结构进 行分析来确定最佳的优化方案，同时本次优化设计 非线性接触，这均使结算成本大大增加。因此本模 型采用六面体减缩积分单元(C3D8R)进行划分，以 减少计算规模。有限元模型中包含单元47436 个， 节点56201 个，如图2 所示。 图 1 轮边系统爆炸图 2、轮毂受力工况分析 对于FSAE 赛车，极限工况有三个：加速工况， 制动工况，转弯工况，在不同工况下轮毂的受力状 态各不相同，因此对于轮毂的优化设计需要保证在 各个工况下均能表现出良好的性能。 图2 原始模型有限元网格划分 FSAE 在加速，制动转向工况中的甲速度分别可 由于赛车的直接受力点为轮胎与地面接触的点， 计区域，轮辋法兰设计区域，非设计区域，如图 5 因此通过Kinamat