项目介绍

　　壳牌汽车环保马拉松赛是一个分别在美洲、欧洲和亚洲举办的面向全球的 教育项目，旨在要求下一代从不同的角度看待能源及我们使用能源的方式。“原 型车”组别赛的是未来概念车型，这是采用减少阻力等创新手段实现燃油效率 最大化的流线型汽车。参赛车辆为单座式，配有三到四个车轮，驾驶区域或开放或封闭。“城市概念车”组别更关注适于普通道路行驶的高效节能车。出于实用性考虑，此类参赛车辆与普通车辆更为接近。

　　同济大学志远车队的原型车同时参加Honda日本节能竞技大赛和Honda 中国节能竞技大赛。Honda节能竞技大赛由Honda创始人本田宗一郎先生发 起，于1981年在日本创办，每年都有超过500支车队参加比赛。自2007年 Honda节能竞技大赛来到中国成为Honda中国节能竞技大赛，至今为止已经成功举办了8届。比赛搭载Honda统一提供的125cc低油耗4冲程发动机，车架和车身等则由各车队独立创作完成，最终以燃油的消耗量多少而一决胜负。

　　近年来，志远车队在所参加的三项比赛中都表现出色。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。原型车与城市概念车的诸多技术环节虽然不同，但在HyperWorks应用上都获得了显著的成效。

　　挑战

　　对于节能竞技的项目而言，在保证刚度的前提下，车辆总重尽可能地减少，势必将带来油耗上的优势。因此志远车队采用OptiStruct，HyperWorks中基于有限元方法的结构优化工具，对他们的设计方案进行分析和优化，并在最近几个赛季开始着手尝试复合材料的有限元分析，在两种车型上都取得了显著的优化效果。

　　利用OptiStruct进行优化的志远车队原型车在各项节能赛事中屡获佳绩。图中的赛车荣获2015年Honda日本节能竞技大赛新挑战组第一。

　　HyperWorks 在复合材料分析方面的强大功能帮助志远车队取得整车结构上的重大突破。图是志远车队设计制造的第一辆使用全承载车身的赛车。

　　志远车队每年都会设计生产一辆原型车，每三年设计生产一辆城市概念车。原型车的总重最终目标大约为50kg，而体积更大的城市概念车的重量目标定位在75kg。这就要求赛车在设计之初就要充分考虑减重这一问题。由于空气动力学因素的影响，车壳的改进减重空间有限，并且发动机由赛会指定，于是学生们将重点放在了车架和车辆传动零件的减重上。然而有限的经费与紧张的备赛时间，使得他们必须寻找除了多次物理实验之外，可靠的设计方法。比起对以往零件的优化，全新设计的车架和零件，在缺少分析结果支持的情况下，无异于盲目的冒险。而依靠OptiStruct的帮助，学生们可以在赛车制造之前设计出足够轻并且有足够刚度的零件。

　　解决方案

　　利用OptiStruct志远车队在原型车和城市概念车两种车型上都取得了整车结构的新突破。相对往年赛车，志远车队使用仿真和优化工具，不仅实现了相关零件的减重，更是在2014年制造的原型车上首次实现了全承载车身。这一技术突破，不仅可以通过将原先的铝制车架换为碳纤维复合材料制成的车架实现整车的进一步减重，而且在加工商的协助下，车架和车壳可以一次加工成型，大大简化了赛车制造工艺。

　　在志远车队，减重设计贯穿了赛车设计的整个过程，这已经不再是某几个队员的工作，更是技术组之间需要一同 协调完成的重大工作。在近几个赛季，传动组通过与整车组的合作，实现了链传动链轮的结构优化，大大减轻了链轮的重量。前期在Catia中建模，使用HyperMesh进行网格划分，并在OptiStruct中进行结构优化，最后通过HyperView和OSSmooth功能获得便于加工的轻量化零件。通过这一快捷的设计流程，学生们能够迅速获得一个满足功能和刚度要求且重量最优的零件。目前，两组的队员们将下一个优化设计目标锁定在了转向前桥上。他们希望通过材料与结构两方面的共同优化，获得一个强度更高、重量更轻的前桥。

利用OptiStruct的拓扑功能，大大减轻了链轮的重量            利用复合材料分析，实现全承载车身

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　　HyperWorks在原型车设计上的应用并不仅仅是减重。利用HyperMesh强大的网格划分能力和良好的输出兼容性，志远车队的队员们也将HyperMesh运用于其他分析的前处理上。在已划分好的流场网格中导入质量更高的车壳网格，将使得流体的分析结果更为准确。

　　志远车队在2015年的城市概念车上首次尝试了利用OptiStruct设计车架。通过有限元模型的建立，车队成员以应力约束下的拓扑优化的结果为基础，结合铝架焊接工艺和内部零件安装，得到了初步的车架布置方案。在车架数模完善后，再次使用板桥单元验算承重能力，以确定车架的应力和位移都满足预期要求。

志远车队首次利用OptiStruct对城市概念车车架进行减重设计。

　　志远车队下一步的目标是设计出全承载车身的城市概念车，这同样离不开HyperWorks的分析支持。在Altair工程团队的支持下，学生们也在进行RADIOSS显式分析、connector模块焊点建模分析、OptiStruct动力学分析等方面的探索，进一步寻找可能的减重空间。

　　结论

　　志远车队一直都致力于原型车与城市概念车的减重，并通过合理可靠的仿真结果，以改善他们的设计和生产流程。 对于原型车来说，利用HyperWorks仿真的设计流程已经使他们在原有的技术基础上取得了全新的突破，并将继续帮助他们设计出更轻更节能的赛车。同时对于城市概念车，车架的减重优化设计意味着车重的显著降低，这将使得赛车的油耗大大降低。

　　显然，HyperWorks的使用对同济大学志远车队的成功产生了积极的影响。利用HyperWorks及其结构优化工具OptiStruct，志远车队能够：

　　Ø 实现在保持结构和车身原有刚度的情况下，原型车链轮单个零件减重达70%，整车减重10%;城市概念车减重约12%

　　Ø 加速研发进程，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

　　Ø 在节能竞技比赛中多次荣获第一

　　2014年志远车队在Honda中国节能竞技大赛中获得第一名及第三名的好成绩。2015年的Honda日本节能竞技大赛中，志远车队更是取得了参加此项赛事来的第一个冠军。而全新设计的城市概念车也将于2016年3月踏上菲律宾的壳牌环保马拉松亚洲赛赛场，力争取得新的成绩突破。

　　关于Altair公司

　　Altair公司是世界领先的工程设计技术的开发者之一，也是一家具有全球深厚工程技术底蕴的优秀CAE工程公司。Altair公司拥有多元化的业务主线，其技术涵盖高端CAE仿真和优化技术、数据管理及流程自动化、高性能计算与网络计算技术， 同时具备一流的产品设计、流程定制、二次开发等咨询服务能力。Altair目前为私人所有，总部设在美国底特律，在全球拥有2000多位员工，分支机构遍及美洲、 欧洲及亚太地区。凭借其在产品设计、先进CAE工程软件开发和网格计算技术等方面拥有30年的经验，Altair不断为各个行业的客户创造竞争优势。

　　企业级CAE仿真平台构建于设计优化、性能数据管理和流程自动化的基础理念之上，HyperWorks是 一个企业级的仿真解决方案，用于加快企业设计开发和决策过程。作为业界最全面的开放构架的CAE解决方案，HyperWorks包括第一流的建模、分析、可视化 和数据管理解决方案，适用于线性、非线性、结构优化、流固耦合和多刚体动力学等多个领域。

　　产品创新咨询服务

　　Altair产品设计咨询团队(ProductDesign)是一个提供创新的、端对端解决方案的、 全球性的多学科产品研发和工程咨询团队，向全球客户提供全面的工程咨询服务，其设计方案能够综合产品可用性、适用性、高性能、多需求、低成本等多个 方面的因素。通过领先的研发流程和丰富的行业经验，帮助客户产品以更快的速度投向市场。

　　网格计算和资源管理平台

　　AltairPBSWorks帮助制造业、资源勘探、地球科学、天气预报、计算化学、制药、金融和娱乐行业的企业、学校和研究机构最大化其计算软硬件资源的投资回报。PBSWorks系统作为AltairHyperWorks家族中的成员，帮助制造业用户在实现大规模CAE仿真的同时按照需求有效地利用企业的计算资源，包括网格、集群和其他计算系统。