高朋 陳文剛 徐國(guó)棟 梁警文

摘要：針對(duì)BSC賽車后立柱進(jìn)行輕量化研究，利用UG建立CAD簡(jiǎn)化模型，通過Inspire OptiStruct模塊完成拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，利用有限元法對(duì)最終模型進(jìn)行強(qiáng)度校核，并基于Print3D模塊對(duì)金屬3D打印工藝進(jìn)行仿真和分析，以云圖的表現(xiàn)形式獲得材料最佳的質(zhì)量密度分布。研究表明：BSC賽車后立柱輕量化設(shè)計(jì)后，部件質(zhì)量減少22.47%，在材料、結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)技術(shù)方面滿足了輕量化研究的目的。同時(shí)，有限元分析參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，保證其有良好的安全性、實(shí)用性和有效性。

關(guān)鍵詞：BSC賽車；輕量化；拓?fù)鋬?yōu)化；有限元法

中圖分類號(hào)：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(guó)汽車工程學(xué)會(huì)主辦、在各院校間展開的小型越野賽車設(shè)計(jì)、制作和實(shí)踐競(jìng)賽[1]。BSC賽車整車模型如圖1所示，它對(duì)懸架系統(tǒng)的操縱穩(wěn)定性能和平順安全性能要求比較高，需要對(duì)BSC賽車懸架系統(tǒng)進(jìn)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?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式，對(duì)BSC賽車后立柱進(jìn)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(duì)模型進(jìn)行輕量化研究，并進(jìn)行強(qiáng)度校核、3D打印工藝仿真和數(shù)據(jù)分析。

2 參數(shù)化建模與初始強(qiáng)度分析

2.1 有限元模型的建立

根據(jù)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(tái)體、制動(dòng)卡鉗安裝孔、輪芯安裝孔和部件主體組成。為防止工藝對(duì)有限元與拓?fù)鋬?yōu)化的影響，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)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(qiáng)度分析驗(yàn)證其實(shí)際可靠性。優(yōu)化前總質(zhì)量為672.65 g，材料屬性如表1所示。

2.2 簡(jiǎn)化模型的有限元分析

有限元分析參數(shù)設(shè)置如圖3所示。對(duì)BSC賽車后立柱模型進(jìn)行初始強(qiáng)度分析，載荷位置分別為：位置（1）為6 000 N，Y負(fù)方向，作用點(diǎn)上擺臂連接樞軸凸臺(tái)體兩孔連接中心位置，聯(lián)軸器連接；位置（2）為6 000 N，Y正方向，作用點(diǎn)下連桿連接樞軸凸臺(tái)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(shè)置單元尺寸為2.666 7 mm。

根據(jù)最大載荷工況，利用有限元法對(duì)BSC賽車后立柱進(jìn)行材料及初始模型強(qiáng)度分析，所得到的米塞斯等效應(yīng)力、位移和安全系數(shù)云圖如圖4所示。分析結(jié)果說明，最大米塞斯等效應(yīng)力小于Aluminum（7075-T6）材料屈服應(yīng)力、最大位移小于1.2 mm、安全系數(shù)大于1.5，使用Aluminum（7075-T6）材料可滿足設(shè)計(jì)要求，且初始各項(xiàng)數(shù)據(jù)反映了材料的自身特性。

3 輕量化設(shè)計(jì)

將UG建立的后立柱簡(jiǎn)化模型，在Inspire結(jié)構(gòu)仿真模塊進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。為使研究結(jié)果最優(yōu)，消除工藝結(jié)構(gòu)對(duì)優(yōu)化的影響，設(shè)置部件主體為設(shè)計(jì)空間，約束條件設(shè)置為拔模的形狀控制，并調(diào)整坐標(biāo)。約束條件為關(guān)于XY平面拔模，約束于（3.48，0，197）。設(shè)置拓?fù)漕愋?、最大化剛度目?biāo)和50%質(zhì)量目標(biāo)，厚度約束為5.967 4 mm。拓?fù)鋬?yōu)化初始結(jié)果如圖5所示，拓?fù)鋬?yōu)化最終模型如圖6所示，優(yōu)化前后模型參數(shù)的對(duì)比情況如表2所示。

從圖5和圖6可以看出，Optistruct模塊拓?fù)鋬?yōu)化算法根據(jù)工況載荷參數(shù)，對(duì)BSC賽車后立柱的拓?fù)鋬?yōu)化是將實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為由桿狀結(jié)構(gòu)和板狀結(jié)構(gòu)組合連接構(gòu)成，進(jìn)行了鏤空設(shè)計(jì)。

通過表2可以看出，最終模型在質(zhì)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(jiǎn)化模型都不同程度地呈現(xiàn)縮減的趨勢(shì)。其中，質(zhì)量由簡(jiǎn)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(shè)計(jì)的目的。單元尺寸的減少，說明了Optistruct拓?fù)鋬?yōu)化算法在模型質(zhì)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(qiáng)度校核

4.1 有限元分析

設(shè)置分析單元尺寸為4.379 mm，載荷工況參考2.2中參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，所測(cè)到的米塞斯應(yīng)力、位移、安全系數(shù)及拉伸/壓縮云圖如圖7所示。

4.2 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

通過有限元分析得到最終模型最大米塞斯等效應(yīng)力、最大位移和最小安全系數(shù)，同簡(jiǎn)化模型初始強(qiáng)度分析數(shù)據(jù)對(duì)比，得到相應(yīng)結(jié)論。優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)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?fù)鋬?yōu)化后，最終模型的有限元各項(xiàng)分析參數(shù)發(fā)生了明顯變化，且均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。其中，最大米塞斯等效應(yīng)力由簡(jiǎn)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(yīng)力。

b.最終模型的最大位移大于簡(jiǎn)化模型，最小安全系數(shù)小于簡(jiǎn)化模型。這是由于相較于簡(jiǎn)化模型，最終模型為柱狀結(jié)構(gòu)和板狀結(jié)構(gòu)組合連接構(gòu)成，相較于簡(jiǎn)化模型的實(shí)體結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)邊緣與柱狀結(jié)構(gòu)連接處形成畸形網(wǎng)格且產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)，使應(yīng)力較大而產(chǎn)生疲勞。

c.簡(jiǎn)化模型和最終模型的最大米塞斯等效應(yīng)力和最小安全系數(shù)均位于下連桿連接樞軸凸臺(tái)體與部件主體柱狀結(jié)構(gòu)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(yīng)力較大，使在下連桿連接樞軸凸臺(tái)體邊緣處產(chǎn)生應(yīng)力點(diǎn)，且由于在簡(jiǎn)化模型時(shí)對(duì)其進(jìn)行圓角及形狀處理，使在圓角中心處更易產(chǎn)生應(yīng)力集中；而上擺臂連接樞軸凸臺(tái)體與部件主體之間由鏤空板狀結(jié)構(gòu)與柱狀結(jié)構(gòu)組合構(gòu)成，且在連接處進(jìn)行了加厚處理，力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)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(tái)體上邊緣處，這是由于在減震器的作用下，通過不平路面時(shí)，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(dòng)與沖擊，且由于Aluminum（7075-T6）材料韌性較好，導(dǎo)致產(chǎn)生較大位移。

5 金屬3D打印工藝仿真

5.1 參數(shù)設(shè)置

將簡(jiǎn)化模型和最終模型導(dǎo)入Print 3D模塊中設(shè)置金屬3D打印過程參數(shù)。分析類型為Thermo-Mechanical，掃描策略為By Layer，進(jìn)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(shí)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(yīng)力分析的有限元法分別對(duì)簡(jiǎn)化模型和最終模型的金屬3D打印工藝進(jìn)行仿真與分析。所測(cè)到的位移和米塞斯等效應(yīng)力云圖如圖9所示。優(yōu)化前后3D打印工藝仿真數(shù)據(jù)對(duì)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(jìn)行是逐層變化的，而在變化的過程中，下一層材料會(huì)對(duì)上一層材料進(jìn)行加熱而產(chǎn)生影響，導(dǎo)致最大應(yīng)變和最大米塞斯等效應(yīng)力不同，而局部的受熱會(huì)使材料膨脹，但由于其變形小于熱源材料，因而產(chǎn)生較大應(yīng)力。

b.熱應(yīng)力的累積易使零件發(fā)生形變，而SLM技術(shù)快速熔化預(yù)置金屬粉末的工藝使零件內(nèi)部易產(chǎn)生熱應(yīng)力[3]。最終模型的最大位移、最大塑性應(yīng)變和最大米塞斯等效應(yīng)力均大于簡(jiǎn)化模型，這是由于該部位支撐結(jié)構(gòu)較多，接觸面積較大，導(dǎo)致熱量累計(jì)較多，而最大米塞斯等效應(yīng)力部位為柱狀結(jié)構(gòu)，質(zhì)量分布少且不均勻，殘留熱應(yīng)力較高。

c.最終模型的最大溫度小于簡(jiǎn)化模型，這是由于拓?fù)鋬?yōu)化后，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、傳力直接且節(jié)點(diǎn)受力，具有更加良好的熱傳導(dǎo)性和液體流動(dòng)性[4]。

6 結(jié)語(yǔ)

本研究基于UG建立BSC賽車后立柱CAD模型，通過初始強(qiáng)度分析，驗(yàn)證Aluminum（7075-T6）材料的可行性。利用Inspire Optistruct模塊進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，使用 Fit PolyNURBS 工具進(jìn)行幾何重構(gòu)，并通過強(qiáng)度校核和優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)判斷優(yōu)化的合理性與可行性。最后，利用Print 3D模塊對(duì)簡(jiǎn)化模型和最終模型的金屬3D打印工藝進(jìn)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?fù)鋬?yōu)化優(yōu)化后，部件質(zhì)量減少了22.47%，滿足了BSC賽車后立柱輕量化設(shè)計(jì)的目的。同時(shí)，有限元分析參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，其中最大米塞斯等效應(yīng)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(yīng)力。在3D打印工藝仿真中得到后立柱變形位置及應(yīng)力累積位置，為部件的進(jìn)一步優(yōu)化提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì). 中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)巴哈大賽規(guī)則[Z].2021.

[2]唐倫.巴哈賽車懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代制造技術(shù)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(yīng)用[C]//2021Altair技術(shù)大會(huì)論文集.上海：澳汰爾工程軟件（上海）有限公司，2021：6.

[4]張?jiān)?，李范春，賈德君.點(diǎn)陣壓氣機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)與3D打印仿真[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，55（6）：729-740.

作者簡(jiǎn)介：

高朋，男，2002年生，學(xué)士，研究方向?yàn)槠囕p量化設(shè)計(jì)技術(shù)。

陳文剛（通訊作者），男，1973年生，教授、博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)椴牧媳砻娓男浴?/p>