设计更轻更坚固的赛车

作者:Paolo Bosetti意大利特兰托大学工业工程系助理教授

来自全球高校工科学生团队竞相参与Formula SAE (FSAE)赛车设计比赛,让他们有机会以实际有趣的方式利用自己的工程知识制造一辆赛车。为了设计出比典型FSAE赛车重量更轻、连接更牢固且更易于制造的一款赛车,E-AGLE Trento参赛团队采用了ANSYS增材制造解决方案和ANSYS Mechanical的拓扑优化功能。

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UniTrento FSAE car

对于意大利特兰托大学(University of Trento)的E-AGLE Trento赛车团队而言,Formula SAE不仅仅是一场比赛,同时实现车架的设计和制造方面突破性创意的机会。通过与ANSYS技术支持团队密切合作,他们使用ANSYSWorkbench Additive(ANSYS Additive Suite组成部分)进行增材仿真,生成的新型框架接头在强度方面主要取决于材料的机械特性,而不是潜在较脆弱的焊接。此外,通过尽可能减少焊接过程中固定组件的外部板牙或夹具的需求,这种接头的制造过程会更加简单。Workbench Additive帮助团队将过去传统的车架薄弱的部分(所谓的“硬点”,悬架通过此处与车架连接)变成3D打印接头不可分割的组成部分,而不是由焊接到外部的金属接头组成。通过消除这一典型薄弱点,该团队不仅提高了车架的刚度,同时也增强了赛车在比赛期间的抗破裂性能。最后,基于ANSYS Mechanical的拓扑优化还帮助他们将赛车单个部件的重量锐降了55%。

FSAE car frame

FSAE car frame with increased torsional stiffness due to 3D-printed joints

 

起源

E-AGLE Trento团队于2016年成立,由特兰托大学教师负责指导。他们意识到计划制造的某些赛车部件需要采用增材制造技术,因此团队与下列两家机构展开合作:隶属于当地政府且由欧盟资助的工业研发公司Trentino Sviluppo,及为机电系统进行原型设计的ProM机电一体化中心。后者由Trentino Sviluppo SpA、特兰托大学以及Bruno Kessler基金会负责管理,且特兰托工业联盟(Confindustria Trento)也提供帮助。

这种合作关系无疑是双赢的。E-AGLE Trento团队需要使用ProM的3D打印机、激光切割机以及其它的业界领先设备。ProM需要第一个检测实例来彰显其产品的上市能力,而FSAE赛车项目无疑就是理想的选择。

基础工程

团队首先将开放式车架设计作为切入点,而非许多参赛队伍所选择的一体式设计。开放式框架设计将工程挑战的重点放在如何设计金属管和接头的最佳布局。设计的总体目标是通过优化参数(定义为车架扭转刚度除以车架重量)来确定车架的高阶几何结构。

FSAE car joints

3D打印接头可提高强度和扭转刚度

由于车架中三个金属管之间接头的直径、厚度和相对位置变化范围很大,因此这些学生工程师们使用ANSYS MechanicalANSYS Workbench环境中进行参数化研究,以调查所有参数变化的影响。确定车架中接头处金属管的最佳横截面和厚度,是加强车架高应力点处强度及减轻车架总重的关键。参数化仿真研究可帮助学生确定各个管和接头的最佳配置,而所需时间比传统的手动迭代要少得多。

assembled car frame

显示带一体化硬点连接器的四向接头的装配车架特写

 

打磨细节

E-AGLE Trento团队的工程师希望不仅能设计出令人满意的FSAE车架,还能实现超越,他们渴望寻求革命性创新元素大幅提升车辆的强度和可制造性。而这种创新元素就是车架接头,车架接头是三个或更多车架管交叉形成的转角点。在过去,只是简单地将这些管子端对端焊成接头,这样焊点可能成为车架结构的薄弱点。通过使用ANSYS Mechanical和Workbench Additive,工程师致力于打造强度更多取决于机械特性而更少取决于焊点本身的车架接头。此外,为了消除另一个薄弱点,他们还将悬架连接的硬点融合到了3D打印接头中。

original bellcrank design
new bellcrank design
采用ANSYS拓扑优化功能设计的双臂曲柄,其重量从345克降至220克 -降幅达37%

在确定车架管的最优尺寸后,他们采用Workbench Additive设计了直径渐增的接头,这样接头的末端就能装入车架管的尾部。最终的内接头具有一系列用于与外部车架管相接触的齿顶。这样就可确保管与接头间的机械应力主要由管内接头的机械配合而非焊缝承受。车架管的末端有一个用于容纳焊接合金的倒角。在此倒角上等间隔分布的小齿状突起可确保管与接头之间的理想距离。管与接头精确的相对定位具有两大优势:

  • 在车架的装配过程中仅需单板牙。这种单板牙有助于在焊接期间将车架主箍连接到车辆后部。FSAE规则要求主箍必须是一根单管,因此主箍不能进行连接,只可焊接。车架的后部装配无需板牙,因为此结构可通过管与接头的精确相对位置进行固定。这种构造不仅可确保焊接精度,同时还能显著缩短整个车架的焊接时间。
  • 与纯粹焊接的开放式空间车架设计相比,车架的强度和刚度要高得多。

“采用拓扑优化功能,学生工程将双臂曲柄的重量从345克降至220克,降幅达37%。”

组件轻量化

减少重量是在相同油耗下提升车辆加速能力和车速的常用的方法⸺这一点对任何赛车都至关重要。E-AGLE Trento工程师使用ANSYS Mechanical的拓扑优化功能重新设计了最初采用实心金属制造的三个组件:双臂曲柄、悬挂摇杆和转向系统支撑机构。拓扑优化功能可自动确定将给定体积内材料供于何处才能保证在加载一致的情况下能有效控制载荷与应力。成品车架具有无材料的开放空间以及能承受极高应力的加厚支架。总而言之,拓扑优化可降低各个组件的重量。在本次优化中,学生工程师将双臂曲柄的重量从345克降至220克,降幅达37%。对于转向系统支架,他们将重量减少了55%,即从450克降到210克。

对增材制造设计的热变形进行补偿

金属增材制造粉末床进行制造需要增加材料层并使用激光进行加热以融化粉末。加热与冷却过程均会导致变形,进而导致不理想的形状出现。E-AGLE Trento团队采用ANSYS Workbench Additive对执行3D打印操作之前的热变形量进行了仿真,这样他们能通过调整部件的几何结构对变形做出补偿。虽然变形依旧存在,但变形情况完全能够预测,而且也能通过修改几何结构对其进行控制。能保证最终的部件完全符合规范要求。

thermal distortion simulation
对FSAE赛车部件的热变形进行仿真
thermal distortion measured
实际物理部件的热变形测量结果

合作赢得比赛

通过与ANSYS技术支持团队密切合作,E-AGLE Trento学生工程师掌握了如何使用Workbench Additive和Mechanical对他们FSAE赛车的开展开创性的车架设计。由于车架具有更高的扭转刚度,因此赛车在重量更轻同时也更加坚固,从而不仅能提升车速、减少磨损而且还能加强安全性。

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