Monash车队冠军之路：OptiStruct与增材制造的完美结合

行业：方程式赛车

挑战：如何实现钛合金前轮毂和立柱的优化设计

Altair 解决方案：采用Altair OptiStruct来设计并优化钛合金立柱，然后利用增材制造技术进行生产

优点：OptiStruct拓扑优化使结 构更轻、更加坚固； 优化开发流程，节约材料、 时间、成本和样机数量 ；联合使用工程软件工具和增材制造技术大幅缩短了交付周期

项目介绍

自 2000 年首次参加澳大利亚 SAE 大学生赛车比赛以来，Monash 车队的 赛车性能得到了稳步提升。他们辉煌的战绩为此做出了最好诠释：Monash 车 队在澳大拉西亚站比赛中豪取六连胜，并在欧洲方程式学生大赛中技压群雄， 当前排名位列世界第七。 他们的成功来源于对基础工程的深刻见解和对创新理念的不断追求，同样 重要的还有对于完美性能的狂热与执着。最近，学生们发现将 Altair 的 OptiStruct 优化技术与 3D 打印技术相结合可为他们带来意想不到的好处。基于 2013 款样车的后轮毂设计，团队采用钛合金前轮毂和立柱来降低汽车的非簧载 质量。但由于之前已经采用了轻质的铝合金设计，因此这给他们带来了严峻的 挑战。为解决这一问题，Monash 车队采用 Altair 的优化技术 OptiStruct 来设计 并优化钛合金立柱，然后利用 CSIRO 的增材制造技术进行生产。因此，学生 们不仅能够保持组件的刚度、减少开发时间和成本，还进一步减轻 30%的重量。

挑战

为保持最佳的竞技水准，Monash 车队将其总体方针制定为：严格掌控开 发时间和成本，打造出更快、更轻、更出色的创新型赛车。 在 2013 年底，团队面临着新一轮重量和性能方面的挑战。随着 3D 打印技 术的不断发展，学生们发现了一项可以帮助他们制造更轻汽车的新技术。增材 制造技术突破了常规制造方法的局限，使得制造有机形状和结构成为可能，这 为 Monash 的部件设计提供了更多灵感。但由于 3D 打印组件的质量和性能只 能忠实于设计方案，因此这为开发人员带来了新的困难。 钛合金立柱在设计上可与现有立柱相替换，这是继前一款赛车 M13 调整后 的一次很小改动。立柱的设计流程包括有限元分析验证，其中采用了大量的载 荷工况。轮毂在设计上同样可进行替换。在这些条件的制约下，Monash 团队 在考虑增材制造技术局限性的同时，必须为实现组件的理想材料分布进行优化。

“结构部件优化归根结底就是有效利用材料。而 OptiStruct 足以解决设计过程中的材料分布问题，它可以明 确指出您需要采取的操作方式和材料放置位置。使用 OptiStruct 时，您可以避免因选择过多而难以抉择，因 为 OptiStruct 直接为您呈现了最佳解决方案。”Mark Stroud，Monash 车队成员

解决方案

通过 Altair HyperWorks 可启用仿真驱动设计流程，并对采用增材制造技术生产的组件进行结构上的优化设计。 在当前几何图形的限制范围内，学生们在 Altair 的优化工具 OptiStruct 中创建了一个设计空间。他们通过应用边界条 件（例如负载和制造约束）进行拓扑优化，并在 OptiStruct 的帮助下创建了一个刚度更高、质量更轻的组件结构。接 下来，学生们选取了 OptiStruct 设计方案，充分解读并创建了有效的 CAD 设计方案。然后，在使用多载荷工况的情 况下，利用进一步的有限元分析对设计予以验证。 部件的许多表面都应控制在较小的公差范围内。此外，它还有很多安装表面。因此需要密切关注零件的整体制造 过程，适当添加其它加工材料。

使用 OptiStruct 优化的钛合金立柱。左侧：确定设计空间是优化流程的首要步骤；

右侧：拓扑优化通过既定边界条件 提供了最理想的材料分布。

结论

OptiStruct 帮助 Monash 车队最大程度地减轻了赛车重量，实现了项目的整体目标：为轻型设计立柱进一步“瘦 身”。利用 OptiStruct 与最新制造工艺（如钛合金电子束熔融技术）优化结合而打造的部件，充分彰显了其独特的性 能优势。与此前设计相比，不仅刚性更强、更加安全，而且总重量减轻了约 30%。对此，OptiStruct 功不可没。它 从精妙的自然结构中汲取灵感，并通过优化材料分布来提供一种行之有效的设计方案。

3D 打印技术与传统制造流程相比，可以节省一半以上的钛合金材料。由于无需在计算机辅助制造流程或零件加 工方面花费过多时间，组件的生产速度得到极大提升。整个打印流程仅耗时一天，与去年铝合金部件的制造流程相比， 节省了大量时间。 2013 年 12 月 13 日的这个周末，Monash 车队实现了一次伟大的壮举。他们连续第六次夺得 FSAE 澳大拉西亚站冠军！凭借此次胜利，Monash 车队成为了 SAE 方程式历史上首个在单项比赛中荣获六连冠殊荣的队伍。

Monash 车队是源自维多利亚克莱顿 Monash 大学主校区的一个学生社团组织。Monash 团队由 70 名学生组成， 他们自行设计、打造开式车轮赛车参加 SAE 方程式比赛，这项比赛是世界上规模最大的学生工程设计比赛，共有超 过 500 个参赛车队同场角逐冠军大奖。通过参加比赛，Monash 车队的学生们可以在各自的工程和商业领域获得宝 贵的实践经验，这不仅丰富了他们的大学经历，也为他们未来的职业道路奠定了坚实的基础。

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