Гоночная команда Университета Западной Австралии участвовала в соревнованиях «Formula SAE Australasia» с 2001 года. С помощью всеобъемлющих технологий инженерного моделирования ANSYS наша команда дважды выигрывала соревнование, собрала четыре кубка в инженерном конкурсе (engineering design) и более 30 побед по отдельным дисциплинам. С 2017 года мы выступаем совместно с еще одной западноавстралийской командой «Edith Cowan University Racing» под названием «Australian Formula Collective» (AFC).
Чтобы меньше сталкиваться с проблемами на соревнованиях, команда AFC активно работает над созданием легких и передовых деталей. Эти детали, однако, могут быть довольно сложными, и для их эффективного и точного моделирования часто требуется сочетание твердотельных и оболочечных элементов. В моделях также используется большое число соединений различных типов, что еще больше усложняет их создание. По этим причинам для конструирования и расчёта деталей автомобиля мы решили использовать мощные и быстрые инструменты ANSYS, как продукты для конечноэлементного анализа, так и решения для задач вычислительной гидрогазодинамики.
При разработке педального блока тормозной системы для болида 2017 года с двигателем внутреннего сгорания нам нужны были решения, которые можно быстро и с минимальными затратами изготовить, и которые соответствовали бы требованиям прочности и минимума массы. Для обеспечения высоких характеристик педального блока мы решили изготовить его детали путём лазерной резки листовой хроммолибденовой стали 4130, а также использовать главные тормозные цилиндры марки Tilton. В качестве расчётного случая мы задались нагрузкой на поверхность педали в 2 кН, что обеспечило хороший запас прочности. Для корректного моделирования различных соединений, подшипников, материалов и сборочных технологий столь важной для безопасности тормозной системы нам потребовался надежный пакет для моделирования, способный не только быстро выполнять расчет, но и, что наиболее важно, дать надежные результаты.
Так как педальный блок собирается из тонкостенных элементов и более толстых фрезерованных или литых деталей, расчеты с использованием только твердотельных конечных элементов были бы нерациональными (и, вполне вероятно, менее точными). К счастью, в ANSYS можно удобно сочетать элементы разных типов в единой модели.
Мы решили рассчитывать педальный блок и педаль раздельно. Для быстрого соединения тонкостенных элементов использовались соединения на уровне сетки (mesh connection). Для соединения разработанных нами деталей блока и корпусов приобретенных главных тормозных цилиндров мы использовали контактное взаимодействие с учётом трения. Использование точной модели взаимодействия этих деталей было довольно важным, так как корпуса цилиндров включены в силовую схему конструкции и вносят значительный вклад в её прочность. Также следует отметить возможность быстрого моделирования затяжки болтовых соединений в ANSYS даже на упрощённых моделях болтов, что реализовано путем фиктивного разделения тела болта и смещения половин на основе введенной величины затяжки. Во многих конкурирующих пакетах этот функционал реализован далеко не так удобно.
На первом этапе расчёта в модели прикладываются нагрузки от затяжки болтов, при этом в контактных парах на соприкасающихся поверхностях деталей возникают напряжения. Далее длина болтов фиксируется с помощью встроенного функционала, который обеспечивает снижение вычислительных затрат. Затем прикладываются нагрузки расчетного случая, и пользователь получает результаты в виде легко воспринимаемых графиков и поверхностных распределений.
Результаты расчёта дали полезную информацию о конструкции педального блока, позволили быстро определить зоны, опасные с точки зрения усталостного или статического разрушения, а также помогли нам принять профилактические меры по усилению блока и более тщательному контролю качества сварки. Следует отметить, что величина нагрузки, принятая в расчётном случае, является вполне реалистичной и соответствует как максимальному усилию, которое может развить 95% мужчин, так и техническому регламенту соревнований.
Мы уверены, что при помощи мощных инструментов для моделирования ANSYS нам удалось создать узел с наилучшим балансом массы и прочности, соответствующий либо превосходящий требования безопасности, установленные регламентом соревнований «Formula SAE».
Источник: ansys.soften.com.ua
