基于金屬3D打印的BSC賽車后立柱輕量化研究

高朋 陳文剛 徐國棟 梁警文

摘要：針對BSC賽車后立柱進行輕量化研究，利用UG建立CAD簡化模型，通過Inspire OptiStruct模塊完成拓撲優(yōu)化設計，利用有限元法對最終模型進行強度校核，并基于Print3D模塊對金屬3D打印工藝進行仿真和分析，以云圖的表現形式獲得材料最佳的質量密度分布。研究表明：BSC賽車后立柱輕量化設計后，部件質量減少22.47%，在材料、結構和生產技術方面滿足了輕量化研究的目的。同時，有限元分析參數均滿足設計要求，保證其有良好的安全性、實用性和有效性。

關鍵詞：BSC賽車；輕量化；拓撲優(yōu)化；有限元法

中圖分類號：U463.1? 收稿日期：2023-03-23

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.08.014

1 前言

巴哈大賽（Baja SAE China，BSC）是由中國汽車工程學會主辦、在各院校間展開的小型越野賽車設計、制作和實踐競賽[1]。BSC賽車整車模型如圖1所示，它對懸架系統的操縱穩(wěn)定性能和平順安全性能要求比較高，需要對BSC賽車懸架系統進行創(chuàng)新優(yōu)化和性能提升[2]。因此，本研究基于SLM金屬3D打印工藝與拓撲優(yōu)化設計相結合的方式，對BSC賽車后立柱進行輕量化研究。利用UG搭建BSC賽車前立柱模型，通過Optistruct算法和有限元法對模型進行輕量化研究，并進行強度校核、3D打印工藝仿真和數據分析。

2 參數化建模與初始強度分析

2.1 有限元模型的建立

根據初步分析并利用UG建立后立柱的初始CAD模型，如圖2所示。該部件由連桿連接樞軸凸臺體、制動卡鉗安裝孔、輪芯安裝孔和部件主體組成。為防止工藝對有限元與拓撲優(yōu)化的影響，對模型進行適當的簡化處理，取消倒角且將部件主體分離。本研究擬采用Aluminum （7075-T6） 材料，并通過初始強度分析驗證其實際可靠性。優(yōu)化前總質量為672.65 g，材料屬性如表1所示。

2.2 簡化模型的有限元分析

有限元分析參數設置如圖3所示。對BSC賽車后立柱模型進行初始強度分析，載荷位置分別為：位置（1）為6 000 N，Y負方向，作用點上擺臂連接樞軸凸臺體兩孔連接中心位置，聯軸器連接；位置（2）為6 000 N，Y正方向，作用點下連桿連接樞軸凸臺體兩孔連接中心位置；位置（3）～（5）皆為固定約束，約束Tz和Rz自由度，允許軸向力和剪切力為3 465.8 N，軸向剛度和剪切剛度為剛性，抗彎剛度和抗扭剛度為1×1014 N·mm/rad，設置單元尺寸為2.666 7 mm。

根據最大載荷工況，利用有限元法對BSC賽車后立柱進行材料及初始模型強度分析，所得到的米塞斯等效應力、位移和安全系數云圖如圖4所示。分析結果說明，最大米塞斯等效應力小于Aluminum（7075-T6）材料屈服應力、最大位移小于1.2 mm、安全系數大于1.5，使用Aluminum（7075-T6）材料可滿足設計要求，且初始各項數據反映了材料的自身特性。

3 輕量化設計

將UG建立的后立柱簡化模型，在Inspire結構仿真模塊進行拓撲優(yōu)化。為使研究結果最優(yōu)，消除工藝結構對優(yōu)化的影響，設置部件主體為設計空間，約束條件設置為拔模的形狀控制，并調整坐標。約束條件為關于XY平面拔模，約束于（3.48，0，197）。設置拓撲類型、最大化剛度目標和50%質量目標，厚度約束為5.967 4 mm。拓撲優(yōu)化初始結果如圖5所示，拓撲優(yōu)化最終模型如圖6所示，優(yōu)化前后模型參數的對比情況如表2所示。

從圖5和圖6可以看出，Optistruct模塊拓撲優(yōu)化算法根據工況載荷參數，對BSC賽車后立柱的拓撲優(yōu)化是將實體模型轉換為由桿狀結構和板狀結構組合連接構成，進行了鏤空設計。

通過表2可以看出，最終模型在質量、體積、最小單元尺寸、平均單元尺寸、最小厚度和最大厚度方面較初始模型和簡化模型都不同程度地呈現縮減的趨勢。其中，質量由簡化前的679.06 g，減少到526.49 g，減少幅度為22.47%，滿足了BSC賽車后立柱輕量化設計的目的。單元尺寸的減少，說明了Optistruct拓撲優(yōu)化算法在模型質量分布方面起到了較為鮮明的作用，使材料能更加合理的利用。

4 強度校核

4.1 有限元分析

設置分析單元尺寸為4.379 mm，載荷工況參考2.2中參數進行設置，所測到的米塞斯應力、位移、安全系數及拉伸/壓縮云圖如圖7所示。

4.2 數據對比分析

通過有限元分析得到最終模型最大米塞斯等效應力、最大位移和最小安全系數，同簡化模型初始強度分析數據對比，得到相應結論。優(yōu)化前后數據對比如表3所示。

從圖4、圖7和表3中可以看出：

a.BSC賽車后立柱拓撲優(yōu)化后，最終模型的有限元各項分析參數發(fā)生了明顯變化，且均呈現增大的趨勢。其中，最大米塞斯等效應力由簡化模型的71.86 MPa，增加到76.1 MPa，增加幅度為5.57%，幅度較小，未超過Aluminum（7075-T6）材料屬性的屈服應力。

b.最終模型的最大位移大于簡化模型，最小安全系數小于簡化模型。這是由于相較于簡化模型，最終模型為柱狀結構和板狀結構組合連接構成，相較于簡化模型的實體結構，其輕量化效果明顯，但穩(wěn)定性略有不足。在垂直載荷工況下，易在板狀結構邊緣與柱狀結構連接處形成畸形網格且產生應力集中點，使應力較大而產生疲勞。

c.簡化模型和最終模型的最大米塞斯等效應力和最小安全系數均位于下連桿連接樞軸凸臺體與部件主體柱狀結構連接處。這是由于在縱向載荷工況下，下連桿受到的縱向等效應力較大，使在下連桿連接樞軸凸臺體邊緣處產生應力點，且由于在簡化模型時對其進行圓角及形狀處理，使在圓角中心處更易產生應力集中；而上擺臂連接樞軸凸臺體與部件主體之間由鏤空板狀結構與柱狀結構組合構成，且在連接處進行了加厚處理，力學性能與結構傳遞連續(xù)性較好。

d.優(yōu)化前后的最大位移均位于上擺臂樞軸凸臺體上邊緣處，這是由于在減震器的作用下，通過不平路面時，此端吸收并緩和了在行駛過程中部分路面不平引起的振動與沖擊，且由于Aluminum（7075-T6）材料韌性較好，導致產生較大位移。

5 金屬3D打印工藝仿真

5.1 參數設置

將簡化模型和最終模型導入Print 3D模塊中設置金屬3D打印過程參數。分析類型為Thermo-Mechanical，掃描策略為By Layer，進程速度1.2 mm/ms，激光功率110 W，粉末層厚度0.03 mm，粉末吸收10.0 %，冷卻時間150 000 ms，底座溫度298 K。支撐效果如圖8所示。

5.2 3D打印過程仿真

利用熱應力分析的有限元法分別對簡化模型和最終模型的金屬3D打印工藝進行仿真與分析。所測到的位移和米塞斯等效應力云圖如圖9所示。優(yōu)化前后3D打印工藝仿真數據對比，如表4所示。

從圖9和表4中可以看出：

a.溫度隨著打印過程的進行是逐層變化的，而在變化的過程中，下一層材料會對上一層材料進行加熱而產生影響，導致最大應變和最大米塞斯等效應力不同，而局部的受熱會使材料膨脹，但由于其變形小于熱源材料，因而產生較大應力。

b.熱應力的累積易使零件發(fā)生形變，而SLM技術快速熔化預置金屬粉末的工藝使零件內部易產生熱應力[3]。最終模型的最大位移、最大塑性應變和最大米塞斯等效應力均大于簡化模型，這是由于該部位支撐結構較多，接觸面積較大，導致熱量累計較多，而最大米塞斯等效應力部位為柱狀結構，質量分布少且不均勻，殘留熱應力較高。

c.最終模型的最大溫度小于簡化模型，這是由于拓撲優(yōu)化后，其結構穩(wěn)定、傳力直接且節(jié)點受力，具有更加良好的熱傳導性和液體流動性[4]。

6 結語

本研究基于UG建立BSC賽車后立柱CAD模型，通過初始強度分析，驗證Aluminum（7075-T6）材料的可行性。利用Inspire Optistruct模塊進行拓撲優(yōu)化，使用 Fit PolyNURBS 工具進行幾何重構，并通過強度校核和優(yōu)化前后數據對比來判斷優(yōu)化的合理性與可行性。最后，利用Print 3D模塊對簡化模型和最終模型的金屬3D打印工藝進行虛擬仿真。

研究表明，BSC賽車后立柱可采用Aluminum （7075-T6）材料，且拓撲優(yōu)化優(yōu)化后，部件質量減少了22.47%，滿足了BSC賽車后立柱輕量化設計的目的。同時，有限元分析參數均滿足設計要求，其中最大米塞斯等效應力增加幅度為5.57%，幅度較小，未超過Aluminum（7075-T6）材料屬性的屈服應力。在3D打印工藝仿真中得到后立柱變形位置及應力累積位置，為部件的進一步優(yōu)化提供參考。

參考文獻：

[1]中國汽車工程學會. 中國汽車工程學會巴哈大賽規(guī)則[Z].2021.

[2]唐倫.巴哈賽車懸架系統設計[J].現代制造技術與裝備，2019（3）：4-5.

[3]王衛(wèi)東，劉倩，劉建光，等.Altair Inspire Print3D在增材制造工藝仿真中的應用[C]//2021Altair技術大會論文集.上海：澳汰爾工程軟件（上海）有限公司，2021：6.

[4]張源，李范春，賈德君.點陣壓氣機葉輪的設計與3D打印仿真[J].上海交通大學學報，2021，55（6）：729-740.

作者簡介：

高朋，男，2002年生，學士，研究方向為汽車輕量化設計技術。

陳文剛（通訊作者），男，1973年生，教授、博士生導師，研究方向為材料表面改性。