基于3D打印的巴哈赛车后立柱轻量化分析

周大翠，雷 雄，高东璇，曾文镫

（四川工程职业技术学院 交通工程系，四川 德阳 618000）

关键字：后立柱；ANSYS；轻量化；3D打印；巴哈赛车；SolidWorks

中国巴哈大赛从2015年至今已成功举办了六届，它是中国汽车工程学会继大学生方程式汽车大赛推出的又一项重要赛事，主要面向高等院校、职业院校和汽车相关企业开展。学校学生组队参赛，参赛车队在规定的时间内，按照每年的比赛规则采用同一型号发动机，设计加工、装配调试一辆单座、发动机中置、后驱或者四驱的小型越野赛车。为了取得好成绩，要把握好赛车设计过程，在保证赛车安全可靠性的情况下，考虑整车轻量化。后立柱作为赛车簧下质量，其轻量化程度决定了赛车的驾驶操控性能。

1 后立柱模型建立

后立柱是赛车的重要组成部分之一，其作用是为轮毂轴承、悬架横向拉杆、拖曳臂提供安装位置，同时承载整车重量。后立柱的强度和刚度是最基本的性能指标，只有满足要求，才能保证赛车行驶到复杂路况时不发生变形或断裂。本赛季赛车后立柱自行设计，原设计方案三维模型如图1所示。模型右侧两个螺栓孔为悬架上下横向拉杆安装位置，左侧两个螺栓孔为拖曳臂安装孔，中间孔为轮毂轴承安装孔。

2 后立柱仿真分析与拓扑优化

为了验证模型的合理性，将后立柱模型导入ANSYS Workbench中进行网格划分，得到后立柱网格单元数量为251 183个，节点数为896 059个，网格质量平均值为0.88，仿真结果比较接近真实。考虑到巴哈赛车赛道比较复杂，同时赛车采用中央制动方式，本文只对赛车经过乱石阵凸起或炮弹坑洼坑路况进行仿真分析，后立柱各受力点都以最大施加载荷来分析，得到的仿真结果如图2—图4所示。

从图2—图4中可以看出，后立柱最大变形量为0.02 mm，没有超过最大允许变形量0.5 mm，最大等效应力与最大弹性应变均小于7075铝合金材料的性能极限，其屈服强度为455 MPa，伸长率为11%。仿真分析表明，后立柱的刚度满足乱石阵凸起或炮弹坑洼坑路况的要求。其加工工艺采用数控铣削，实物重量为486 g。

赛车立柱是赛车行驶系统重要零部件之一，轻量化程度越高越能够体现巴哈赛车的响应性和操控性。通过ANSYS Workbench 软件对巴哈赛车后立柱进行结构拓扑优化。采用变密度法对后立柱进行拓扑优化，以结构刚度最大，柔顺度最小为拓扑优化函数目标，以去除材料质量百分比为约束条件，通过ANSYS Workbench仿真分析软件迭代计算寻求出最优解。为了保证后立柱力学性能要求，采用去极限质量为70%的拓扑优化运算。如图5所示。根据拓扑优化结果，运用SolidWorks对后立柱重新建模，如图6所示。

为了检验优化后的模型力学性能是否符合要求，将立柱模型再次导入ANSYS Workbench进行仿真分析，材料选择钛合金，仿真结果如图7—图9所示。

通过仿真结果可以看出，优化后的模型完全能够满足赛车后立柱性能要求。说明优化后的后

立柱模型具有一定的可靠性，并且能够在满足力学性能的情况下，减轻后立柱重量，最终实现轻量化。

3 3D打印后立柱

随着科学技术和新兴产业的迅猛发展，3D 打印技术在汽车零部件领域的不断应用和融合，为巴哈赛车零部件的设计制造提供了一种新技术。为了满足赛车立柱性能要求，兼顾3D打印金属材料性能，选出3D打印金属材料中的铝合金粉末和钛合金粉末进行对比，如表1所示。

由表1可知，钛合金粉末的屈服强度和抗拉强度明显高于铝合金粉末，力学性能好，能够满足后立柱的性能要求。因此，选用钛合金粉末作为3D打印后立柱的制造材料。通过3D打印技术，最终得到的后立柱质量为230 g。

4 结束语

3D打印的赛车后立柱与7075航空铝加工而成的后立柱相比，质量减轻了256 g，降幅比例高达52.6%，说明3D打印技术在巴哈赛车零部件轻量化研究效果显著，为后续巴哈赛车零部件的加工制造提供了新途径和新工艺。