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
本文摘要（由AI生成）：
世界太阳能挑战赛是检验太阳能动力赛车设计与技术创新的盛事，要求参赛者制造仅依赖太阳能驱动的赛车，强调空气动力学、轻量化材料和结构优化。密歇根大学太阳能车队利用Altair OptiStruct技术，在数年间成功将赛车减重90kg，并在2011年获得世界太阳能挑战赛美国队伍最佳成绩第三名。车队面临的主要挑战是制造轻且坚固的碳纤维车身和底盘。通过采用浴缸式底盘设计，结合Altair HyperMesh和OptiStruct的仿真优化，团队成功设计出仅重19kg的单体壳底盘，比前代赛车轻20kg以上。这一成就凸显了复合材料在太阳能赛车设计中的优势，以及Altair OptiStruct在轻量化与性能优化中的关键作用。
项目介绍
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。进而言之，太阳能赛车比赛中的顶尖车队拥有最轻的赛车，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。
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。
这种状况给AltairOptiStruct技术的应用提供了一个很好的机会。
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。
仿真结果显示底盘上的载荷传递路径
仿真结果显示单向的碳纤维最有效的分布位置
分析和优化
初始的底盘建立之后，数据被导入Altair HyperMesh——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。
核心材料采用六面体网格划分
Quantum赛车的单体壳底盘仅重19kg
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。
宽大的碳纤维使堆层可以很薄，从而使工程师设计出更加高效的碳纤维/夹芯三明治结构。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。
