极速轻量级摩托车设计

作者:Davide Mavillonio,意大利雷焦艾米利亚Asotech srl仿真工程师

为了实现精彩绝伦的轻量级设计VinsDuecinquanta摩托车的单体车架、轮辋、车叉与车身均采用碳纤维复合材料。铝质前节点位于把手下方的摩托车中心,并与发动机、车架、油箱、散热器和悬挂相连。Asotech工程师采用ANSYS Mechanical拓扑优化功能研发了一款高度优化的设计方案,同时还对基本形状和部件尺寸进行了更改,从而将重量锐减56%。随后,为了确保摩托车在经受长期重复应力情况下不发生故障,工程师还采用ANSYS Mechanical疲劳分析功能实现了完美的产品完整性平衡。

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Vins Duecinquanta motorcycle

评论这款全新的摩托车时,New Atlas指出:“Vins Duecinquanta(250)的重量减轻到了我们在公路机车中前所未见的程度。”新款摩托车配备60马力的发动机,整车重量仅209磅(95千克),售价为40000欧元(49621美元),速度高达120mph(299km/h),而且能满足最新的排放法规要求。Asotech工程师采用ANSYS Mechanical拓扑优化功能将前节点重量从40磅(18千克)锐降至18磅(8千克),从而实现了显著减重。另外,他们还采用ANSYS Mechanical疲劳分析功能来确保节点符合欧洲疲劳寿命要求。

Vins Duecinquanta motorcycle
Vins Duecinquanta motorcycle
Vins Duecinquanta motorcycle

motorcycle structural analysis

利用结构仿真分析的载荷工况

 

高性能摩托车

Duecinquanta采用电喷90°夹角的V形双缸二行程发动机。摩托车通过符合空气动力学性能的方式将散热器整合在一起,因此进入气流能通过空心车架流经散热器和背部,而气流则通过尾部和摇臂从车架排出。作为赛道版的Duecinquanta Competizione消除了道路版所需的装备,从而一举将重量锐减至187磅(85千克)。它不仅拥有满满的80马力,极速更是高达 149mph (240 km/h)。赛道版售价为50,000欧元(62,029美元)。Vins计划每年制造20~30辆新款摩托车。

Vins工程团队主要由法拉利研发团队前成员组成,都拥有碳纤维复合材料的专业知识。由于前节点是这款摩托车最重要的金属部件之一,因而Vins寻求了意大利机械工程领先企业Asotech的帮助。Asotech拥有110名工程师,每年可提供20多万个小时的服务,同时还专注于汽车、摩托车、游乐园和自动化机械市场。

如果采用传统设计方法处理该部件,需要首先设计正多面体形状,才能提供所需的安装面。然后,工程师开始执行设计仿真,并寻找可去除材料的低应力区域。对设计方案逐个进行探试并以这种方式手动改变其尺寸,也能够实现大幅减重,但所需时间多得惊人。即使这样,工程师也无法将重量降低到他们理想的目标。

Load cases analyzed with structural simulation
Load cases analyzed with structural simulation
Load cases analyzed with structural simulation
利用结构仿真分析的载荷工况

拓扑优化功能最大限度减重

Asotech工程师采用能与ANSYS Mechanical结构软件实现无缝集成的ANSYS拓扑优化功能,让减重难题迎刃而解。Vins工程师为前节点提供了四种载荷工况:1)发动机、乘客与横向静态载荷;2)发动机、乘客、横向静态载荷、与道路适度颠簸相关的载荷;3)发动机、乘客、横向静态载荷、与道路最大颠簸相关的载荷;以及4)综合上述三种载荷工况之后获得的疲劳应力状态。Asotech工程师随后定义了最终设计必须保持的特性,如:外边界和安装面。他们确定了最小化部件重量以及根据材料特性将应力保持到最大指定值的优化目标。

FEA displacement
FEA displacement
FEA displacement results

“Asotech工程师采用能与ANSYS Mechanical结构软件实现无缝集成的ANSYS拓扑优化功能,让减重难题迎刃而解。”

motorcycle frontal node

之后,Asotech工程师实施了6个小时的拓扑优化。在对优化后的设计进行检查后,工程师发现了一些可通过改变几何约束条件获得改善的区域。他们进行了相应修改,并再次执行了优化,不过这次是从之前优化过的设计方案入手。此外,工程师又执行了多次迭代⸺修改约束条件并从之前的起点再次进行优化,直至获得令人满意的设计。

随后,Asotech团队不仅将拓扑密度分布导入ANSYS SpaceClaim Direct Modeler (SCDM),而且还利用它调整了最终设计。SCDM让编辑和优化经拓扑优化的复杂模型变得简单易行。它可帮助用户无缝添加或删除几何结构,使粗糙表面变得平滑,也可收缩包装模型的区域,去除不需要的特性与特征。

motorcycle diagram

前节点位于摩托车中心。

疲劳分析可确保耐用性

为了确定最终设计是否能够承受Vins指定的静态载荷,Asotech工程师在ANSYS Mechanical中对其进行了仿真。接下来,根据欧洲规范结构设计标准,工程师采用ANSYS疲劳分析软件计算出了高周疲劳安全系数。他们导入了来自疲劳模型的静态应力,并将相关结果与材料模型和对产品在运行过程中可能经历的重复载荷的描述结合在一起。ANSYS疲劳模型获取了相关数据、数据流和参数,而且采用应力-使用寿命方法对疲劳载荷工况进行了综合疲劳分析。疲劳分析表明,设计方案能够承受500万个疲劳周期,从而超过了200万个周期的疲劳寿命要求。根据上述结果,工程师又执行了一次拓扑优化,进一步减轻了部件的重量。

英国莲花汽车创始人Colin Chapman表示:“增大功率可提高直道速度,而减重却能在任何地方提升速度。”Vins在Duecinquanta摩托车上已将这一哲理发挥到极致。Asotech采用ANSYS拓扑优化和疲劳寿命分析不仅降低了重量,同时还确保了重要组件的耐用性,这在设计该款超高性能摩托车的过程中发挥着至关重要的作用。

FEA displacement results for different load cases

FEA displacement results for different load cases

 

Results of the ANSYS topology optimization

Results of the ANSYS topology optimization

Results of the ANSYS topology optimization

Results of the ANSYS topology optimization

ANSYS拓扑优化结果

参考文献

New Atlas, Vins’ Carbon-Forked, Two-Stroke Duecinquanta Sportbike is the New Definition of Lightweight (12/29/2017)

Lotus (03/28/2018)

Asotech

Asotech Structural FEM Computation

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