Топологическая оптимизация рычага задней подвески Tesla Model S

Топологическая оптимизация рычага задней подвески Tesla Model S
Теги: model s, tesla, генеративный дизайн, курсовая работа, подвеска, рычаг, топологическая оптимизация

Содежание

Министерство образования Российской Федерации


САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Петра Великого


Высшая школа транспорта


Курсовая работа на тему:

«Расчёт на прочность детали в программе SolidWorks»

Топологическая оптимизация (генеративный дизайн)

Санкт-Петербург

2019

Содержание:

  1. Введение
  2. Построение 3D модели
  3. Подготовка и проведение прочностного расчёта
  4. Топологическая оптимизация (генеративный дизайн)
  5. Реверс инжиниринг
  6. Проверка результата
  7. Вывод

1. Введение

Цель работы: создание и топологическая оптимизация модели выбранной детали и расчёт на прочность в программном комплексе SolidWorks. Деталью является, рычаг задней подвески Tesla Model S.

Исходные данные: расчёт будем проводить для полностью загруженного автомобиля. Все значения нагрузок возьмем из предыдущих работ по расчету подвески.

2. Построение 3D модели

Модель рычага задней подвески возьмем из готовой сборки ходовой части автомобиля Tesla Model S.

Рис. 1 Сборка ходовой части Tesla Model S.
Рис. 2 Нижний рычаг задней подвески.

3. Подготовка и проведение прочностного расчёта

Для начала зададим для детали материал. Материалом будет алюминиевый сплав А356. Данные по применению данного сплава в нижнем рычаге подвески Tesla Model S взяты из открытых источников

Рис. 3 Выбор сплава алюминия.


Рассмотрим деталь в контексте сборки:

Рис. 4 Нижний рычаг задней подвески. Вид спереди и вид сбоку
Рис. 5 Нижний рычаг задней подвески. Вид снизу и изометрия.
Рис. 6 Расчетная схема нагрузок.

Из предыдущих расчетов мы знаем, что вес груженого автомобиля 24 530 Н, так как наш автомобиль – электромобиль, соответственно у него «идеальная» развесовка, следовательно, для определения веса автомобиля на одно колесо, мы можем смело общий вес автомобиля поделить на 4 колеса, то есть 24 530 Н / 4 = 6 132,5 Н. На нашу деталь действует две силы – 1) Сила по оси Y и 2) Сила по оси Z. Обе силы связаны с весом автомобиля. Изначальная масса рычага – 5,36 кг

Рычаг подвески соединяется со ступицей и кузовом по средствам сайлентблоков. Из открытых источников определяем жесткость сайлентоблоков в 5000 Н/мм или 5 000 000 Н/мм. В нашей модели мы упрощаем схему и убираем сайлентблоки. Заменяя их жесткой заделкой.

Установим ограничение по перемещению. Для этого, в разделе «крепления», выберем подраздел «ролик/ползун» и «зафиксированный». Зададим нужные параметры:

Рис. 7 Граничные условия

Далее установим нагрузку на деталь, это сила G = 6 132,5 Н (по оси Y и Z). Для этого открываем раздел «внешние нагрузки», подраздел «сила». Выбираем в качестве поверхности приложения силы втулку сайлентблока, устанавливаем размер силы, а в качестве направляющей выберем одну из плоских поверхностей рычага, рис. 7.

Далее строим сетку детали. Для этого нужно задать размер сетки.

Рис. 8 Сетка с параметрами

Как видно, в сетке присутствует очень малое количество элементов с соотношением сторон более 10, а так же 99 процентов элементов имеют соотношение сторон менее 3. Можем предположить, что сетка получилась хорошей и результат будет, довольно точным. Для этого запустим расчёт и посмотрим на полученные результаты. Результаты расчёта представлены на рисунках 9, 10, 11.

Рис. 9 Напряжения
Рис. 10 Перемещения
Рис. 11 Деформация

По результатам, полученным при расчёте, можно сказать, что наибольшим концентратором напряжений и соответственно деформаций, является сечение, в местах соединения втулок сайлентблоков с рычагом. Уточнения результатов не требуется. произведём упрочнение детали в местах течи материала.

Рис. 12 Модернизированная деталь

В итоге получилась масса – 5,7 кг

Рис. 13 Напряжения
Рис. 14 Перемещения
Рис. 15 Деформация

4. Топологическая оптимизация

Возьмем готовую деталь и запустим процесс топологической оптимизации. Условия нагрузки и граничные условия берем из расчета статики. Зададим цели и ограничения топологической оптимизации. Т.к. после топологической оптимизации мы получаем результат в виде детали-сетки в формате STL, с большим множеством треугольников. Нам придется вносить изменения во внешний вид детали самостоятельно. То есть производить реверс инжиниринг. Методом последовательных итераций выбираем наиболее подходящие ограничения:

  1. Выберем цель оптимизации: «Наилучшее отношение жесткости к массе»
  2. Выберем ограничение смещения в 1.2 от исходной точки
  3. Уменьшим массу детали на 50%
  4. Ограничим напряжение в 1.2 от предела текучести
Рис. 16 Цели и ограничения топологической оптимизации

Далее создадим элементы производственного контроля:

  1. Добавим сохраненную область двух проушин на глубину 10мм
  2. Добавим среднюю плоскость направления извлечения из пресс-формы
  3. Укажем плоскость симметрии

Создадим сетку для детали.

Рис. 17 Сетка детали

Начнем процесс топологической оптимизации детали

Рис. 18 Графики сходимости процесса топологической оптимизации
Рис. 19 Графики сходимости процесса топологической оптимизации
Рис. 20 Топологически оптимизированная модель

Общее время решения – 1 час 22 минуты

Рис. 21 Эпюра напряжений топологически оптимизированной детали
Рис. 22 Эпюра перемещения топологически оптимизированной детали

Как мы видим масса детали стала 2.86 кг, при этом на 1мм увеличилось перемещение. Напряжения в детали в пределах нормы.

5. Реверс инжиниринг

Так как после процесса топологический оптимизации мы получаем деталь в виде сетки (mash), то есть то же самое что при 3D сканировании, мы должны превратить данную деталь в твердое тело, чтобы иметь возможность работать с параметрами модели и производить дальнейшие исследования и расчеты. Для данного шага нужно применять реверс-инжиниринг. Проще говоря выявлять из полученного внешнего вида детали, простые геометрические элементы.

Для начала экспортируем полученный вариант внешнего вида в исходную деталь.

Рис. 23 Исходная деталь вместе с топологически оптимизированной деталью

Удалим весь не нужный материал. Добавим необходимые скругленния.

Рис. 24 Деталь после реверс-инжиниринга

6. Проверка результата

Рис. 25 Эпюра напряжений реверс-инжиниринговой детали детали
Рис. 26 Эпюра перемещения реверс-инжиниринговой детали

7. Вывод

Как мы видим после процедуры топологической оптимизации нам удалось понизить общий вес детали почти на 1кг, но к сожалению, мы увеличили на 1мм перемещение при деформации детали. В целом, анализируя полученные конструкции и играясь с настройками, можно добиться лучших характеристик, но для этого нужны большие вычислительные мощности компьютера. В данной работе не стояла цель улучшить все показатели, наша цель была уменьшить массу детали в пределах рабочей деформации и напряжения.

В целом можно сделать вывод, что применение новых цифровых методик анализа и улучшения конструкций имеет большие перспективы. К сожалению, мы еще далеки до этапа, когда машина сможет делать все за нас. Но тем не менее сам факт того, что компьютер уже сейчас из огромного множества различных конструкций умеет выбирать максимально оптимальное – очень сильно упрощает жизнь конструктора-разработчика.