案例分享 | 大学生方程式赛车队进行赛车轴承座部件优化、减重

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我们已经展示了MSC Apex Generative Design的潜力，以下为帕德博恩大学生方程式赛车队为他们的赛车设计的轴承座部件——该部件用于支撑车轮轴承，属于悬架的一部分。

这是一个很典型的案例，因为轴承座一方面要需要承受非常复杂的负载工况，同时对轻量化设计具有迫切需求。由于大赛要求参赛者每年开发一款新的赛车，仔细检查每一个零件，以提升竞争优势，因此设计过程中需要进行大量的零件设计优化。MSC仿真工具，例如：Adams 和 MSC Nastran 被用于进行后续的部件优化。

▲采用MSC Apex Generative Design进行增材制造设计

开发过程首先从基于Adams的多体动力学仿真中获取载荷开始，Adams模型模拟了整个悬架的多种工况，包括所有连接点的坐标和作用力。这些信息被用于建立优化模型并定义其目标。在 MSC Apex Generative Design中定义了一个尽可能大的设计空间（如上图所示）。

在这个方程式赛车项目中，对应轮辋内的空间减去叉形臂的安装空间以及所选的制动系统。运行MSC Apex Generative Design优化算法，设计空间内的材料在确保满足各种边界条件、约束以及优化目标的前提下会被尽可能的削减。

最终MSC Apex Generative Design生成多个设计候选，这些候选方案可以进一步使用Simufact Additive（用于金属增材制造）进行工艺可行性验证。

▲ 优化后的轴承座部件通过3D打印制造，打印出的轴承座部件装配到悬架系统中

在本项目中，Digimat AM（用于塑料增材制造）被用于赛车的加速踏板工艺验证。经过对候选方案进行加工制造过程仿真、迭代和对比后，最终可以选出满足可制造性、轻量化、低成本的最优设计。作为虚拟评估的最后一步，优选出的设计最终通过MSC Nastran中的有限元模型进行设计有效性的验证，并将该部件集成到Adams模型中，以确保该部件在整体装配结构中提供正确的刚度和性能。经过上述设计、仿真和虚拟验证，一个最优设计被选出，并成功完成了实物的打印，在去年的学生方程式赛车季投入使用。

概要与结论

增材制造自问世以来，已经走过了漫长的道路，并在过去十年中改变了制造业的格局。为了发挥AM的全部潜力和优势，需要消除设计和制造之间的信息孤岛，提供增材制造专属的设计。我们已经确定了七个技术和特性，它们在设计和增材制造之间搭建了桥梁，实现满足可制造性的创成式设计。我们认为这种方法是引人注目的，因为它将只产生被验证符合金属，先进的复合材料和聚合物工艺特点的几何候选。

此外，基于最先进的扫描技术对最终打印部件进行质量检验，并将实际打印部件与设计部件进行叠加比较，可以进一步验证虚拟仿真的准确性，以帮助用户提高对增材制造部件质量的信心，以及虚拟设计验证与实物结果的一致性。

时间和成本是当今大规模增材制造生产的两个主要制约因素。MSC Apex创成式设计帮助工程师缩短了增材制造模拟的时间和成本，在设计过程中更早地对成本做出更好的决策，最重要的是，通过更智能、可持续的增材制造，更接近首次成功3D打印部件。