北京航空航天大学AERO-Segway电动方程式：赛车减重与HyperMesh复合材料仿真入门

导读：2月4日20时（今晚），2021大学生方程式赛车技术交流月第八期公开课《赛车减重与HyperMesh复合材料仿真入门》，将由北航AERO-Segway电动方程式赛车队队长沈建平主讲。点击文尾阅读原文报名后，可永久反复回看。

以下是正文：减重是赛车永恒的话题，与之相应的，复合材料的使用越来越广，要想合理地实现减重，仿真必不可少。笔者将分享基于HyperMesh软件的复合材料线性静力学分析与铺层优化。 

使用软件: HyperWorks14.0

模型文件: 层合板三点弯2维模型

一、赛车与复合材料大学生方程式赛车使用的复合材料通常是三明治夹心结构，以碳纤维层合板为例，上下表层是碳纤维复合材料层，中间是夹芯材料（以泡沫为例），如图所示：

表层的碳纤维复合材料可以看作正交各向异性材料，中间的夹芯泡沫可以看作各向同性材料。表层碳纤维沿主纤维方向为方向1，铺层平面内与之垂直的为方向2，铺层平面的法向为方向3，编织布在方向1和方向2上的力学性能可以看作相同。

二、模型导入与网格划分

模型如图所示，采用2维平面模型代替层合板实体模型。

导入模型：双击打开HyperMesh→选择OptiStruct→点击Import Model→选择Import Geometry→选择模型种类CATIA→浏览文件夹选择对应文件→点击import导入模型。

通过2D的automesh划分2D网格。

调整网格法向和方向：2D的composites。调整网格法向：element normals→vector display用向量表示→display显示法向→reverse反转法向。调整网格方向：material orientation→element选择网格→system选择坐标系→size设置显示向量尺寸→project设置和显示网格方向。

三、通过HyperLaminate进行复合材料设置

点击2D的HyperLaminate进入复合材料设置界面，分别在MAT1和和MAT8建立foam和carbonfiber的材料属性，然后在PCOMP中建立并设置铺层信息。

给含有网格信息的Component赋予属性。

通过Analysis中的forces设置载荷信息，通过constraint设置约束条件，并通过loadsteps建立载荷步。

设置载荷信息：forces→选择节点→输入每个节点力的大小→选择力的方向→create。

设置约束信息：新建一个loadcollector并命名为spc→constraint→选择节点→选择约束的自由度→create。

建立载荷步：loadsteps→给载荷步命名→SPC选择刚才的约束→LOAD选择刚才的力载荷→选择线性静力学→create。

设置输出信息：control cards→GLOBAL_OUTPUT_REQUEST→勾选CFAILURE、CSTRAIN、CSTRESS。

点击OptiStruct进行求解。

求解结束点击Results查看结果：Apply→Contour→选择Composite Failure(s)→Apply。失效指数低于1表示尚未失效，高于1表示已经失效。

四、通过ply+stack进行复合材料铺层优化

网格信息、材料属性、力载荷信息、约束信息、载荷步信息与上面的线性静力学分析中一致。

创建0°碳纤维铺层：右键Create→ply→铺层命名（以铺层角度命名）→选择材料carbonfiber→设置厚度2mm→选择坐标系→设置铺层角度0°→选择网格→Create。同样的方法设置45°碳纤维铺层。创建泡沫夹芯铺层：铺层命名→选择材料foam→设置厚度10mm→选择坐标系→设置铺层角度180°→选择网格→Create。

创建复合铺层：右键Create→Laminate→命名design→选择对称铺层Symmetric→依次设置每一层→Create。

创建Property→设置Card Image为PCOMPP→设置FT为TSAI→右键该property，Assign将属性赋予到网格上。设置显示方式为2D Detailed和Composite Layers。

创建设计变量：Optimization→free size创建一个设计变量desvar1→在composites更新优化后的总厚度范围。

创建响应：responses→创建质量响应→创建柔度响应。

创建约束：dconstraints→创建质量约束，总质量不高于1kg。

设置输出信息：FSTOSZ（自由尺寸到尺寸）。

开始自由尺寸优化：OptiStruct。

自由尺寸优化之后，开始设置离散尺寸优化信息。

将优化结果导入并覆盖现有网格。

编辑新出现的每一层的网格信息，使其满足我们的形状制造要求。

对laminate进行重新排序，新排序如下图，这样让铺层面积大的在层合板中间，铺层面积小的在外面。

设置所有碳纤维层的制造尺寸为0.2mm，设置泡沫层的制造尺寸为1mm。

删除原来的铺层。

删除原有的优化目标、质量约束、柔度响应。

创建失效指数响应，创建约束失效指数不大于0.5，优化目标创建为最小化质量。

将输出修改为SZTOSH。然后进行优化。

优化结束后可以通过view.out查看优化过程信息。导入优化结果FEM文件，查看结果，可以得到铺层信息，同时，测量质量可以看到优化后质量减小。

五、我的公开课-赛车与复合材料

复合材料铺层优化在单体壳设计中无法发挥太大作用，因为规则对单体壳各部分的铺层有严格的强度要求，不只是需要满足于赛车的正常驾驶，还要满足防撞要求。复合材料铺层优化的作用更多体现在其他不受规则限制的零部件，比如碳纤维轮辋等。

受仿真秀平台邀请，2月4日20时（今晚），笔者将在2021大学生方程式赛车技术交流月第八期公开课《赛车与HyperMesh复合材料仿真入门》，帮助大学生方程式参与者和兴趣爱好者更好理解赛车与复合材料那些事（点击文尾的阅读原文可观看）。以下是课程安排(扫码可观看和回看)