基于金属3D打印的BSC赛车后立柱轻量化研究

高朋 陈文刚 徐国栋 梁警文

摘要：针对BSC赛车后立柱进行轻量化研究，利用UG建立CAD简化模型，通过Inspire OptiStruct模块完成拓扑优化设计，利用有限元法对最终模型进行强度校核，并基于Print3D模块对金属3D打印工艺进行仿真和分析，以云图的表现形式获得材料最佳的质量密度分布。研究表明：BSC赛车后立柱轻量化设计后，部件质量减少22.47%，在材料、结构和生产技术方面满足了轻量化研究的目的。同时，有限元分析参数均满足设计要求，保证其有良好的安全性、实用性和有效性。

关键词：BSC赛车；轻量化；拓扑优化；有限元法

中图分类号：U463.1  收稿日期：2023-03-23

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.08.014

1 前言

巴哈大赛（Baja SAE China，BSC）是由中国汽车工程学会主办、在各院校间展开的小型越野赛车设计、制作和实践竞赛[1]。BSC赛车整车模型如图1所示，它对悬架系统的操纵稳定性能和平顺安全性能要求比较高，需要对BSC赛车悬架系统进行创新优化和性能提升[2]。因此，本研究基于SLM金属3D打印工艺与拓扑优化设计相结合的方式，对BSC赛车后立柱进行轻量化研究。利用UG搭建BSC赛车前立柱模型，通过Optistruct算法和有限元法对模型进行轻量化研究，并进行强度校核、3D打印工艺仿真和数据分析。

2 参数化建模与初始强度分析

2.1 有限元模型的建立

根据初步分析并利用UG建立后立柱的初始CAD模型，如图2所示。该部件由连杆连接枢轴凸台体、制动卡钳安装孔、轮芯安装孔和部件主体组成。为防止工艺对有限元与拓扑优化的影响，对模型进行适当的简化处理，取消倒角且将部件主体分离。本研究拟采用Aluminum （7075-T6） 材料，并通过初始强度分析验证其实际可靠性。优化前总质量为672.65 g，材料属性如表1所示。

2.2 简化模型的有限元分析

有限元分析参数设置如图3所示。对BSC赛车后立柱模型进行初始强度分析，载荷位置分别为：位置（1）为6 000 N，Y负方向，作用点上摆臂连接枢轴凸台体两孔连接中心位置，联轴器连接；位置（2）为6 000 N，Y正方向，作用点下连杆连接枢轴凸台体两孔连接中心位置；位置（3）～（5）皆为固定约束，约束Tz和Rz自由度，允许轴向力和剪切力为3 465.8 N，轴向刚度和剪切刚度为刚性，抗弯刚度和抗扭刚度为1×1014 N·mm/rad，设置单元尺寸为2.666 7 mm。

根据最大载荷工况，利用有限元法对BSC赛车后立柱进行材料及初始模型强度分析，所得到的米塞斯等效应力、位移和安全系数云图如图4所示。分析结果说明，最大米塞斯等效应力小于Aluminum（7075-T6）材料屈服应力、最大位移小于1.2 mm、安全系数大于1.5，使用Aluminum（7075-T6）材料可满足设计要求，且初始各项数据反映了材料的自身特性。

3 轻量化设计

将UG建立的后立柱简化模型，在Inspire结构仿真模块进行拓扑优化。为使研究结果最优，消除工艺结构对优化的影响，设置部件主体为设计空间，约束条件设置为拔模的形状控制，并调整坐标。约束条件为关于XY平面拔模，约束于（3.48，0，197）。设置拓扑类型、最大化刚度目标和50%质量目标，厚度约束为5.967 4 mm。拓扑优化初始结果如图5所示，拓扑优化最终模型如图6所示，优化前后模型参数的对比情况如表2所示。

从图5和图6可以看出，Optistruct模块拓扑优化算法根据工况载荷参数，对BSC赛车后立柱的拓扑优化是将实体模型转换为由杆状结构和板状结构组合连接构成，进行了镂空设计。

通过表2可以看出，最终模型在质量、体积、最小单元尺寸、平均单元尺寸、最小厚度和最大厚度方面較初始模型和简化模型都不同程度地呈现缩减的趋势。其中，质量由简化前的679.06 g，减少到526.49 g，减少幅度为22.47%，满足了BSC赛车后立柱轻量化设计的目的。单元尺寸的减少，说明了Optistruct拓扑优化算法在模型质量分布方面起到了较为鲜明的作用，使材料能更加合理的利用。

4 强度校核

4.1 有限元分析

设置分析单元尺寸为4.379 mm，载荷工况参考2.2中参数进行设置，所测到的米塞斯应力、位移、安全系数及拉伸/压缩云图如图7所示。

4.2 数据对比分析

通过有限元分析得到最终模型最大米塞斯等效应力、最大位移和最小安全系数，同简化模型初始强度分析数据对比，得到相应结论。优化前后数据对比如表3所示。

从图4、图7和表3中可以看出：

a.BSC赛车后立柱拓扑优化后，最终模型的有限元各项分析参数发生了明显变化，且均呈现增大的趋势。其中，最大米塞斯等效应力由简化模型的71.86 MPa，增加到76.1 MPa，增加幅度为5.57%，幅度较小，未超过Aluminum（7075-T6）材料属性的屈服应力。

b.最终模型的最大位移大于简化模型，最小安全系数小于简化模型。这是由于相较于简化模型，最终模型为柱状结构和板状结构组合连接构成，相较于简化模型的实体结构，其轻量化效果明显，但稳定性略有不足。在垂直载荷工况下，易在板状结构边缘与柱状结构连接处形成畸形网格且产生应力集中点，使应力较大而产生疲劳。

c.简化模型和最终模型的最大米塞斯等效应力和最小安全系数均位于下连杆连接枢轴凸台体与部件主体柱状结构连接处。这是由于在纵向载荷工况下，下连杆受到的纵向等效应力较大，使在下连杆连接枢轴凸台体边缘处产生应力点，且由于在简化模型时对其进行圆角及形状处理，使在圆角中心处更易产生应力集中；而上摆臂连接枢轴凸台体与部件主体之间由镂空板状结构与柱状结构组合构成，且在连接处进行了加厚处理，力学性能与结构传递连续性较好。

d.优化前后的最大位移均位于上摆臂枢轴凸台体上边缘处，这是由于在减震器的作用下，通过不平路面时，此端吸收并缓和了在行驶过程中部分路面不平引起的振动与冲击，且由于Aluminum（7075-T6）材料韧性较好，导致产生较大位移。

5 金属3D打印工艺仿真

5.1 参数设置

将简化模型和最终模型导入Print 3D模块中设置金属3D打印过程参数。分析类型为Thermo-Mechanical，扫描策略为By Layer，进程速度1.2 mm/ms，激光功率110 W，粉末层厚度0.03 mm，粉末吸收10.0 %，冷却时间150 000 ms，底座温度298 K。支撑效果如图8所示。

5.2 3D打印過程仿真

利用热应力分析的有限元法分别对简化模型和最终模型的金属3D打印工艺进行仿真与分析。所测到的位移和米塞斯等效应力云图如图9所示。优化前后3D打印工艺仿真数据对比，如表4所示。

从图9和表4中可以看出：

a.温度随着打印过程的进行是逐层变化的，而在变化的过程中，下一层材料会对上一层材料进行加热而产生影响，导致最大应变和最大米塞斯等效应力不同，而局部的受热会使材料膨胀，但由于其变形小于热源材料，因而产生较大应力。

b.热应力的累积易使零件发生形变，而SLM技术快速熔化预置金属粉末的工艺使零件内部易产生热应力[3]。最终模型的最大位移、最大塑性应变和最大米塞斯等效应力均大于简化模型，这是由于该部位支撑结构较多，接触面积较大，导致热量累计较多，而最大米塞斯等效应力部位为柱状结构，质量分布少且不均匀，残留热应力较高。

c.最终模型的最大温度小于简化模型，这是由于拓扑优化后，其结构稳定、传力直接且节点受力，具有更加良好的热传导性和液体流动性[4]。

6 结语

本研究基于UG建立BSC赛车后立柱CAD模型，通过初始强度分析，验证Aluminum（7075-T6）材料的可行性。利用Inspire Optistruct模块进行拓扑优化，使用 Fit PolyNURBS 工具进行几何重构，并通过强度校核和优化前后数据对比来判断优化的合理性与可行性。最后，利用Print 3D模块对简化模型和最终模型的金属3D打印工艺进行虚拟仿真。

研究表明，BSC赛车后立柱可采用Aluminum （7075-T6）材料，且拓扑优化优化后，部件质量减少了22.47%，满足了BSC赛车后立柱轻量化设计的目的。同时，有限元分析参数均满足设计要求，其中最大米塞斯等效应力增加幅度为5.57%，幅度较小，未超过Aluminum（7075-T6）材料属性的屈服应力。在3D打印工艺仿真中得到后立柱变形位置及应力累积位置，为部件的进一步优化提供参考。

参考文献：

[1]中国汽车工程学会. 中国汽车工程学会巴哈大赛规则[Z].2021.

[2]唐伦.巴哈赛车悬架系统设计[J].现代制造技术与装备，2019（3）：4-5.

[3]王卫东，刘倩，刘建光，等.Altair Inspire Print3D在增材制造工艺仿真中的应用[C]//2021Altair技术大会论文集.上海：澳汰尔工程软件（上海）有限公司，2021：6.

[4]张源，李范春，贾德君.点阵压气机叶轮的设计与3D打印仿真[J].上海交通大学学报，2021，55（6）：729-740.

作者简介：

高朋，男，2002年生，学士，研究方向为汽车轻量化设计技术。

陈文刚（通讯作者），男，1973年生，教授、博士生导师，研究方向为材料表面改性。