基于3D打印的巴哈賽車后立柱輕量化分析

周大翠，雷 雄，高東璇，曾文鐙

（四川工程職業(yè)技術(shù)學院 交通工程系，四川 德陽 618000）

關(guān)鍵字：后立柱；ANSYS；輕量化；3D打?。话凸愜?；SolidWorks

中國巴哈大賽從2015年至今已成功舉辦了六屆，它是中國汽車工程學會繼大學生方程式汽車大賽推出的又一項重要賽事，主要面向高等院校、職業(yè)院校和汽車相關(guān)企業(yè)開展。學校學生組隊參賽，參賽車隊在規(guī)定的時間內(nèi)，按照每年的比賽規(guī)則采用同一型號發(fā)動機，設計加工、裝配調(diào)試一輛單座、發(fā)動機中置、后驅(qū)或者四驅(qū)的小型越野賽車。為了取得好成績，要把握好賽車設計過程，在保證賽車安全可靠性的情況下，考慮整車輕量化。后立柱作為賽車簧下質(zhì)量，其輕量化程度決定了賽車的駕駛操控性能。

1 后立柱模型建立

后立柱是賽車的重要組成部分之一，其作用是為輪轂軸承、懸架橫向拉桿、拖曳臂提供安裝位置，同時承載整車重量。后立柱的強度和剛度是最基本的性能指標，只有滿足要求，才能保證賽車行駛到復雜路況時不發(fā)生變形或斷裂。本賽季賽車后立柱自行設計，原設計方案三維模型如圖1所示。模型右側(cè)兩個螺栓孔為懸架上下橫向拉桿安裝位置，左側(cè)兩個螺栓孔為拖曳臂安裝孔，中間孔為輪轂軸承安裝孔。

2 后立柱仿真分析與拓撲優(yōu)化

為了驗證模型的合理性，將后立柱模型導入ANSYS Workbench中進行網(wǎng)格劃分，得到后立柱網(wǎng)格單元數(shù)量為251 183個，節(jié)點數(shù)為896 059個，網(wǎng)格質(zhì)量平均值為0.88，仿真結(jié)果比較接近真實?？紤]到巴哈賽車賽道比較復雜，同時賽車采用中央制動方式，本文只對賽車經(jīng)過亂石陣凸起或炮彈坑洼坑路況進行仿真分析，后立柱各受力點都以最大施加載荷來分析，得到的仿真結(jié)果如圖2—圖4所示。

從圖2—圖4中可以看出，后立柱最大變形量為0.02 mm，沒有超過最大允許變形量0.5 mm，最大等效應力與最大彈性應變均小于7075鋁合金材料的性能極限，其屈服強度為455 MPa，伸長率為11%。仿真分析表明，后立柱的剛度滿足亂石陣凸起或炮彈坑洼坑路況的要求。其加工工藝采用數(shù)控銑削，實物重量為486 g。

賽車立柱是賽車行駛系統(tǒng)重要零部件之一，輕量化程度越高越能夠體現(xiàn)巴哈賽車的響應性和操控性。通過ANSYS Workbench 軟件對巴哈賽車后立柱進行結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化。采用變密度法對后立柱進行拓撲優(yōu)化，以結(jié)構(gòu)剛度最大，柔順度最小為拓撲優(yōu)化函數(shù)目標，以去除材料質(zhì)量百分比為約束條件，通過ANSYS Workbench仿真分析軟件迭代計算尋求出最優(yōu)解。為了保證后立柱力學性能要求，采用去極限質(zhì)量為70%的拓撲優(yōu)化運算。如圖5所示。根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果，運用SolidWorks對后立柱重新建模，如圖6所示。

為了檢驗優(yōu)化后的模型力學性能是否符合要求，將立柱模型再次導入ANSYS Workbench進行仿真分析，材料選擇鈦合金，仿真結(jié)果如圖7—圖9所示。

通過仿真結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的模型完全能夠滿足賽車后立柱性能要求。說明優(yōu)化后的后

立柱模型具有一定的可靠性，并且能夠在滿足力學性能的情況下，減輕后立柱重量，最終實現(xiàn)輕量化。

3 3D打印后立柱

隨著科學技術(shù)和新興產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，3D 打印技術(shù)在汽車零部件領域的不斷應用和融合，為巴哈賽車零部件的設計制造提供了一種新技術(shù)。為了滿足賽車立柱性能要求，兼顧3D打印金屬材料性能，選出3D打印金屬材料中的鋁合金粉末和鈦合金粉末進行對比，如表1所示。

由表1可知，鈦合金粉末的屈服強度和抗拉強度明顯高于鋁合金粉末，力學性能好，能夠滿足后立柱的性能要求。因此，選用鈦合金粉末作為3D打印后立柱的制造材料。通過3D打印技術(shù)，最終得到的后立柱質(zhì)量為230 g。

4 結(jié)束語

3D打印的賽車后立柱與7075航空鋁加工而成的后立柱相比，質(zhì)量減輕了256 g，降幅比例高達52.6%，說明3D打印技術(shù)在巴哈賽車零部件輕量化研究效果顯著，為后續(xù)巴哈賽車零部件的加工制造提供了新途徑和新工藝。