周大翠，雷 雄，高東璇，曾文鐙

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

關(guān)鍵字：后立柱；ANSYS；輕量化；3D打印；巴哈賽車；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(xué)會繼大學(xué)生方程式汽車大賽推出的又一項(xiàng)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(xué)校學(xué)生組隊(duì)參賽，參賽車隊(duì)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，按照每年的比賽規(guī)則采用同一型號發(fā)動機(jī)，設(shè)計(jì)加工、裝配調(diào)試一輛單座、發(fā)動機(jī)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(shè)計(jì)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(shí)承載整車重量。后立柱的強(qiáng)度和剛度是最基本的性能指標(biāo)，只有滿足要求，才能保證賽車行駛到復(fù)雜路況時(shí)不發(fā)生變形或斷裂。本賽季賽車后立柱自行設(shè)計(jì)，原設(shè)計(jì)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?fù)鋬?yōu)化

為了驗(yàn)證模型的合理性，將后立柱模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)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(diǎn)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(shí)?？紤]到巴哈賽車賽道比較復(fù)雜，同時(shí)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(jìn)行仿真分析，后立柱各受力點(diǎn)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(yīng)力與最大彈性應(yīng)變均小于7075鋁合金材料的性能極限，其屈服強(qiáng)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(shí)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(yīng)性和操控性。通過ANSYS Workbench 軟件對巴哈賽車后立柱進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。采用變密度法對后立柱進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，以結(jié)構(gòu)剛度最大，柔順度最小為拓?fù)鋬?yōu)化函數(shù)目標(biāo)，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(jì)算尋求出最優(yōu)解。為了保證后立柱力學(xué)性能要求，采用去極限質(zhì)量為70%的拓?fù)鋬?yōu)化運(yùn)算。如圖5所示。根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，運(yùn)用SolidWorks對后立柱重新建模，如圖6所示。

為了檢驗(yàn)優(yōu)化后的模型力學(xué)性能是否符合要求，將立柱模型再次導(dǎo)入ANSYS Workbench進(jìn)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(xué)性能的情況下，減輕后立柱重量，最終實(shí)現(xiàn)輕量化。

3 3D打印后立柱

隨著科學(xué)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(lǐng)域的不斷應(yīng)用和融合，為巴哈賽車零部件的設(shè)計(jì)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(jìn)行對比，如表1所示。

由表1可知，鈦合金粉末的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯高于鋁合金粉末，力學(xué)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(dá)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。