Optimisation de structures de noeuds interconnectés appliquée au design conceptuel de structures de véhicules
Other titre : Ground Structure Optimization Applied to Conceptual Vehicle Frame Design
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Publication date
2020Author(s)
Côté, Philippe
Subject
Optimisation de structures de noeuds interconnectésAbstract
L’allègement structural de véhicules représente un défi pour les fabricants de véhicules qui cherchent constamment à améliorer leurs produits en termes de performance, de coût et d’efficacité énergétique. L’optimisation structurale est un volet de la conception de véhicules qui permet de répondre simultanément aux besoins énumérés. Les logiciels de conception assistés par ordinateur utilisent des méthodes d’optimisation structurales afin d’alléger des structures de véhicules. Cependant, ces méthodes s’appliquent souvent à la phase de design détaillée où la géométrie initiale de la structure est connue, ce qui n’est pas le cas lors de la phase de design conceptuel, lorsque la géométrie de la structure est inconnue. Les problèmes de design conceptuel sont souvent traités par l’optimisation topologique qui optimise la distribution et la densité de masse d’une structure à partir d’un volume de conception initial. Cependant, l’optimisation topologique n’est pas sans inconvénients, tels le fait de devoir grossièrement interpréter la géométrie afin d’obtenir des structures fabricables, le temps de calcul relativement long en fonction de la densité de maillage, l’obtention d’une seule structure optimisée à la fin de la phase d’optimisation et la possibilité d’être pris dans un minimum local.
Ce projet propose une méthode alternative et supérieure à l’optimisation topologique en appliquant l’optimisation de structures de noeuds interconnectés (ground structure method (GSM)) au design conceptuel de structures de véhicules. La méthodologie proposée est mise à l’épreuve avec deux véhicules récréatifs : un VTT côte-à-côte et un roadster à trois roues. Il est démontré que l’optimisation des positions de noeuds à l’intérieur d’un espace de conception, suivie par l’optimisation dimensionnelle des structures de noeuds interconnectés résultantes produisent un ensemble unique de structures de véhicules conceptuels optimisés. Cet ensemble permet au concepteur de s’inspirer afin de concevoir des
structures nouvelles et originales en plus de permettre une meilleure compréhension du problème de conception. Finalement, aucune étape d’interprétation de la géométrie n’est requise puisque les structures résultantes sont composées d’éléments poutres, et donc facilement fabricables. Abstract: Weight reduction of vehicle frames represents a challenge for automotive manufacturers looking to improve vehicle performance, production cost and energy efficiency. Structural optimization of vehicle frames is an aspect of vehicle design that has the potential to answer these needs. In fact, computer assisted design software is available to help reduce frame weight through structural optimization. However, existing vehicle frame optimization methods are often used during the detailed design stage where initial frame geometry is given, which is not the case during the conceptual design stage. Problems at the conceptual design stage, where frame geometry is unknown, are usually tackled using topology optimization which optimizes mass distribution by varying material density. However, topology optimization has considerable drawbacks such as needing to crudely interpret the geometry to make it manufacturable, lengthy simulation time depending on mesh size, only providing one “optimal” conceptual design at the end of the optimization phase and the possibility of being trapped in a local minimum. In this project, ground structure opimization is applied to conceptual vehicle frame design and is established as a superior alternative to topology optimization. The proposed methodology is applied to two recreational vehicles: a three wheel roadster and a side-by-side ATV. It is demonstrated that by optimizing node positions inside a predefined design space and performing a subsequent size optimization on the resulting ground structures, a unique and creative set of optimized and efficient vehicle frame concepts can be obtained. This set provides the designer with inspiration for new and original designs as well as insight into the design problem. Finally, no additional step for interpreting geometry is needed since the structures generated are composed of beam elements and are therefore easily manufacturable.
Collection
- Moissonnage BAC [4700]
- Génie – Mémoires [2113]
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