大学生方程式赛车制动踏板拓扑优化设计.docx

大学生方程式赛车制动踏板拓扑优化设计 薛科叙 李未 龚成义摘 要：为了更好实现赛车的轻量化设计目标，针对制动踏板，利用拓扑优化的方法对制动踏板进行结构优化并重建模型，并与原始制动踏板做强度分析与疲劳分析的结果对比结果表明，拓扑优化设计后的制动踏板，其变形量、应力分布均好于原始制动踏板，并且质量降低了22.1%，实现了轻量化设计目标，对赛车零部件设计思路具有一定的指导作用关键词：拓扑优化;轻量化;制动踏板：U469.6+96 ：A ：1671-7988（2020）09-138-03The Topological Optimization Design of the Brake Pedal of theFormula SAEXueKexu， LiWei*， GongChengyi（College of mechanical and vehicle engineering， Changchun University， JilinChangchun130022）Abstract：In order to achieve the lightweight design goal of racing car better， For the brake pedal， the topological optimization method is used to optimize the structure of the brake pedal， then rebuild the model. At the meanwhile， the results of strength analysis and fatigue analysis are compared with the original brake pedal. The result shows that the deformation and stress distribution of the brake after topology optimization design are better than that of the original brake pedal， and the quality is reduced by 22.1%， achieving the goal of lightweight design. The paper has a certain guiding effect on the design of racing car parts.Keywords： Topology optimization;Lightweight;Brake pedalCLC NO.： U469.6+96 Document Code： A Article ID：1671-7988（2020）09-138-031 前言中國大学生方程式汽车大赛（简称“中国FSC”）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。

各参赛车队按照赛事规则在一年时间内自行设计和制造出一辆实现加速、制动、操控性等方面要求的方程式赛车比赛规则中针对制动系统，强调制动踏板必须满足在2000N的力作用下而不被损坏因此，在保证使用强度的同时实现轻量化成为了制动踏板的首要设计目标本文提出利用拓扑优化建模分析方法来设计制动踏板对制动踏板原始CATIA模型，利用拓扑优化理论，在ANSYS软件中得到新模型，进一步进行2000N最大踩踏力工况下的强度分析和400N循环踩踏力的疲劳分析，并与原始制动踏板做结果对比，验证此次设计思路的合理性2原始制动踏板模型分析根据设计目标以及空间布局要求，设计原始制动踏板三维模型，并进行有限元分析分析流程如下：（1）设置模型材料模型材料为7075-T6航空铝，其主要材料属性如下：弹性模量为7.20E+10 N/m2，泊松比为0.33，张力强度为5.70E+08N/m2，屈服强度为5.05E+08N/m22）设置模型单元由于制动踏板结构较简单，采用Solid186单元该单元为固体结构单元，通过20个节点来定义，每个节点有3个沿着XYZ方向平移的自由度该单元类型具有任意的空间各向异性，支持塑性、超弹性、蠕变、应力钢化、大变形和大应变能力。

3）网格划分采用六面体网格划分，单元大小2mm，得到70434个节点，18749个单元，平均网格质量0.83244）设置约束和载荷如图1所示，转轴孔为踏板与踏板底座利用塞打螺栓连接处，因此对转轴孔施加圆柱约束赛车的前后制动力分配依靠平衡杆来调节平衡杆利用缸套与制动踏板相连，因此制动踏板的结构尺寸，决定了其力的杠杆比踏板面施加踩踏力与转轴孔处的受力相等，并经过杠杆比放大至缸套处因此，根据规则要求，制动踏板需承受最大2000N的踩踏力，经5.1的杠杆比放大后，缸套处的反力则为10200N5）求解与后处理得到踏板总变形与等效应力云图由总变形云图可知，最大变形出现在制动踏板最顶端，变形量为1.3639mm，变形量较大由应力云图可知，最大应力在制动踏板下部镂空处，为294.24Mpa，应力分布不均匀6）对原始制动踏板进行疲劳分析设置踩踏力为400N，则中间缸套处受反力为2040N，约束方式不变，疲劳循环次数为109次，对原始制动踏板进行疲劳分析由应力云图可知，最大应力依旧出现在踏板杆下部镂空处，为88.012Mpa，应力分布不均匀由云图可知，最小安全系数为2.2497，出现在踏板杆下部镂空处，分布不均匀，容易在安全系数低的位置首先发生失效。

因此，根据常规设计方法得到的制动踏板在强度分析与疲劳分析上，均存在應力分布不均匀、变形量大、安全系数低的问题，需要改进设计方法3 制动踏板的拓扑优化设计拓扑优化一般是指优化变量为杆系结构的节点布局、节点间的连接关系，或连续体结构的开孔数量和位置等拓扑信息，结构的拓扑构形选择恰当与否，决定了产品设计的主要性能在ANSYS中，拓扑优化分为2个步骤，静力学分析与拓扑优化静力学分析是拓扑优化的基础，为拓扑优化提供必要条件根据优化后的模型，利用三维建模软件进行模型重构，最后导入有限元软件分析，验证强度、刚度等是否满足要求若不满足，继续优化直至满足要求即可1）拓扑优化参数设定1）在toolbox中拖拽Topology Optimization至D6栏，这样就把static structural的边界条件与结果传递给topology optimization模块，即完成静力学分析，奠定拓扑优化分析基础2）设定拓扑区域拓扑区域设置为边界条件以外的区域，即结构体本身3）设定响应条件定义响应条件为质量，保留原始模型质量30%4）添加制造约束考虑制造加工工艺流程，设置制造约束沿Z轴对称2）求解经过多次迭代，若求解达到设定的条件后，则计算停止。

即可查看优化后的模型，若不满意，可修改参数后继续求解3）优化后的模型如图3所示4）模型重构根据优化后的模型，在CATIA软件中进行重构，得到新的制动踏板模型4新制动踏板分析与结果对比针对拓扑优化后得到的新制动踏板模型进行有限元分析其设置初始条件，如材料、单元、网格、约束与载荷都与原始制动踏板模型分析时相同因此得到总变形、等效应力、疲劳应力与安全系数的分析结果由总变形云图可知，最大变形出现在最大踏板顶端，变形量为0.62645mm变形量较小由应力云图可知，最大应力出现在新制动踏板杆中间镂空圆角处，为208.04Mpa，应力分布较均匀由应力云图可知，最大应力依旧出现在踏板杆中间镂空圆角处，为46.385Mpa，应力分布较均匀由云图可知，最小安全系数为4.2686，出现在踏板杆中间镂空圆角处，符合设计要求，分布较为均匀将新制动踏板与原始制动踏板的分析结果进行对比，如表1所示由表1所知，利用拓扑优化设计的制动踏板与原始制动踏板，在总变形、等效应力、疲劳应力的结果相比，不仅分布更为均匀，而且数值也大幅降低，减少幅度分别是新制动踏板的117.7%、41.4%、89.7%，安全系数大大提高，是原始制动踏板的1.9倍。

同时，质量减少了36g，占原始制动踏板质量的22.1%因此，通过拓扑优化设计得到的新制动踏板，在实现了降低踏板质量的同时，解决了制动踏板整体应力分布不均，变形量大的问题5结论本文的设计分析思路，对赛车零部件设计具有一定的参考意义1）拓扑优化设计流程为建立初始模型-拓扑优化-模型重建-有限元分析-满足性能要求-不满足性能要求改到满足要求为止2）基于拓扑优化设计方法的新制动踏板，已经应用于长春大学FCC车队赛车上，并经过一个赛季的使用，未发生断裂失效现象，在保证使用强度的前提下也减轻了质量，验证了本次设计分析思路的合理性参考文献[1] 范健文.大学生方程式赛车（FSC）立柱性能分析方法[J].汽车工业研究.2014年12期.[2] 华成.基于拓扑优化方法的发动机罩板结构轻量化研究[D].同济大学.2008. -全文完-。