框架更轻，更强的赛车

作者Paolo Bosetti，意大利特伦托大学工业工程系教授

来自世界各地大学的工程专业学生团队参加了SAE方程式(FSAE)比赛，以建造一辆赛车，为他们提供了一个以实用和有趣的方式应用工程知识的机会。E-AGLE Trento车队利用Ansys的增材制造解决方案和Ansys机械的拓扑优化设计了一辆比典型的FSAE汽车更轻、更坚固、更容易制造的汽车。

对于意大利特伦托大学的E-AGLE特伦托赛车队来说，SAE方程式不仅仅是一场比赛，它还意味着在汽车框架的设计和制造方面实现一个突破性的想法。与Ansys技术支持团队密切合作，他们使用Ansys Workbench Additive (Ansys Additive Suite的一部分)生产一种创新的框架接头，更多地依赖于材料的机械性能，而不是依赖于可能较弱的焊接强度。该接头还使制造阶段更容易，最大限度地减少了在焊接阶段对外部模具或夹具的需求，以保持组件的位置。工作台添加剂使团队能够将框架的传统薄弱部分-所谓的“硬点”，即悬架附着在车架上的地方-作为3d打印关节的组成部分，而不是由焊接到关节外部的金属标签组成。通过消除这个典型的弱点，该团队使车辆框架更加坚固，在比赛中不易破损。最后，使用Ansys机械的拓扑优化帮助他们将汽车一个部件的质量减少了55%。

由于3d打印关节，增加了扭转刚度的FSAE汽车框架

起源

E-AGLE Trento团队于2016年在特伦托大学教师的指导下成立。意识到他们需要使用增材制造来制造他们计划建造的赛车的一些部件，该团队与工业发展公司Trentino Sviluppo合作，该公司由当地政府拥有，由欧盟资助，并拥有名为ProM的机电一体化系统原型设备。后者由Trentino siluppo SpA、Trento大学和Bruno Kessler基金会管理，并得到了industria Trento的一些帮助。

这种伙伴关系是一种双赢的安排。E-AGLE Trento团队需要使用ProM的3D打印机、激光切割机和其他尖端设备。ProM需要第一个测试用例来向市场展示他们的能力。FSAE汽车项目是一个理想的测试案例。

设计基础

该团队从开放式设计开始，而不是竞争中许多团队使用的单体设计。开放式框架设计将工程挑战集中在设计金属管和接头的最佳配置上。总体目标是通过优化定义为车架抗扭刚度除以车架重量的参数来确定车架的高级几何形状。

3d打印关节，更大的强度和扭转刚度

由于车架中三根管子之间的直径、厚度和相对位置的变量范围很广，学生工程师使用Ansys机械在Ansys Workbench环境来调查所有选项。在框架的每个点上找到最佳的横截面和管的厚度对于在高应力点加强框架同时最小化框架的总重量至关重要。参数化模拟研究使学生能够确定每个管子和接头的最佳配置，而这将是传统手工迭代所花费的时间的一小部分。

一个组装的汽车框架部分的特写视图显示一个四通接头与整体硬点连接器

深入细节

E-AGLE Trento团队的工程师们想要超越仅仅设计一个令人满意的FSAE汽车框架，他们渴望引入一个革命性的元素，这将大大提高车辆的强度和可制造性。这个创新的元素将是框架节点。这是三个或更多的框架管相交形成一个角的点。传统上，管子简单地端到端焊接以形成接头，但焊接可能是框架的弱点。使用Ansys机械和工作台添加剂，工程师们专注于制造一个框架连接，其强度更多地取决于金属的机械性能，而不是焊接本身。他们还将悬挂连接的硬点整合到3d打印关节中，以消除另一个弱点。

利用ANSYS拓扑优化设计的bell曲柄，将零件重量从345 g减少到220 g，减少了37%

在确定了最佳框架管尺寸后，他们使用Workbench添加剂设计了直径稍大的接头，以便接头端能够装入框架管的尾部。所产生的内接头具有一组纵向波峰，其被设计为与外框架管接触。这确保了管道和接头之间的机械应力主要由管道中接头的机械配合而不是随后的焊接来承受。框架管的末端有一个轻微的倒角，以容纳焊接合金。沿着这个倒角间隔有规律的小齿状突起确保管子和关节之间的正确距离。这种非常精确的管道和接头的相对定位有两大优点:

• 组装车架时只需要一个模具。这种单模具有助于在焊接时将车架的主箍与汽车后部连接起来。FSAE规定，主箍必须是一个单管，所以它不能连接，只能焊接。汽车车架后部的组装不需要模具，因为结构是通过相对于接头的精确定位来固定的。这种布置使焊接精度提高，大大缩短了整个车架的焊接时间。
• 与纯焊接的开放空间框架设计相比，由此产生的框架更加坚固和刚性。

“通过拓扑优化，学生工程师将钟曲柄的质量从345克减少到220克，减少了37%。”

轻量化部件

减轻重量显然是一种使汽车加速更快的方法，并且能够在消耗相同数量的燃料的情况下跑得更快——这对任何赛车来说都是至关重要的。E-AGLE Trento工程师利用Ansys机械公司的拓扑优化技术，重新设计了最初由固体金属制成的三个部件:曲柄、悬架摇杆和转向支撑机构。拓扑优化自动确定材料在给定体积内应该存在的位置，以便在零件加载时有效地管理负载和应力。由此产生的框架具有不需要材料的开放空间和应力高的较厚支柱。总体而言，拓扑优化减少了每个组件的权重。在这种情况下，学生工程师将曲柄的质量从345克减少到220克，减少了37%。对于转向支持，他们减少了55%的质量，从450克到210克。

增材制造设计中的热变形补偿

粉末床金属增材制造包括添加材料层，并用激光加热以熔化粉末。这种加热和冷却会导致变形，这将导致非理想的形状。E-AGLE Trento团队在进行3D打印之前，使用Ansys Workbench Additive来模拟热变形的量，这样他们就可以调整零件的几何形状来补偿变形。虽然变形仍然发生，但它以一种可预测的方式发生，并被修改后的几何结构考虑在内。成品完全符合规格要求。

合作赢得比赛

通过与Ansys技术支持团队的密切合作，E-AGLE Trento的学生工程师学会了如何高效地使用Workbench Additive和Ansys Mechanical，为他们的FSAE汽车设计突破性的车架设计。该车更轻，更强，抗扭刚度增加，这将导致更高的速度，减少磨损和更高的安全性。