行業：方程式賽車 

    挑戰：如何實現鈦合金前輪轂和立柱的優化設計 

    Altair 解決方案：采用Altair OptiStruct來設計并優化鈦合金立柱，然后利用增材制造技術進行生產 

    優點：OptiStruct拓撲優化使結 構更輕、更加堅固； 優化開發流程，節約材料、 時間、成本和樣機數量 ；聯合使用工程軟件工具和增材制造技術大幅縮短了交付周期

    項目介紹 

    自 2000 年首次參加澳大利亞 SAE 大學生賽車比賽以來，Monash 車隊的 賽車性能得到了穩步提升。他們輝煌的戰績為此做出了最好詮釋：Monash 車 隊在澳大拉西亞站比賽中豪取六連勝，并在歐洲方程式學生大賽中技壓群雄， 當前排名位列世界第七。 他們的成功來源于對基礎工程的深刻見解和對創新理念的不斷追求，同樣 重要的還有對于完美性能的狂熱與執著。最近，學生們發現將 Altair 的 OptiStruct 優化技術與 3D 打印技術相結合可為他們帶來意想不到的好處。基于 2013 款樣車的后輪轂設計，團隊采用鈦合金前輪轂和立柱來降低汽車的非簧載 質量。但由于之前已經采用了輕質的鋁合金設計，因此這給他們帶來了嚴峻的 挑戰。為解決這一問題，Monash 車隊采用 Altair 的優化技術 OptiStruct 來設計 并優化鈦合金立柱，然后利用 CSIRO 的增材制造技術進行生產。因此，學生 們不僅能夠保持組件的剛度、減少開發時間和成本，還進一步減輕 30%的重量。 

    挑戰 

    為保持最佳的競技水準，Monash 車隊將其總體方針制定為：嚴格掌控開 發時間和成本，打造出更快、更輕、更出色的創新型賽車。 在 2013 年底，團隊面臨著新一輪重量和性能方面的挑戰。隨著 3D 打印技 術的不斷發展，學生們發現了一項可以幫助他們制造更輕汽車的新技術。增材 制造技術突破了常規制造方法的局限，使得制造有機形狀和結構成為可能，這 為 Monash 的部件設計提供了更多靈感。但由于 3D 打印組件的質量和性能只 能忠實于設計方案，因此這為開發人員帶來了新的困難。 鈦合金立柱在設計上可與現有立柱相替換，這是繼前一款賽車 M13 調整后 的一次很小改動。立柱的設計流程包括有限元分析驗證，其中采用了大量的載 荷工況。輪轂在設計上同樣可進行替換。在這些條件的制約下，Monash 團隊 在考慮增材制造技術局限性的同時，必須為實現組件的理想材料分布進行優化。

    “結構部件優化歸根結底就是有效利用材料。而 OptiStruct 足以解決設計過程中的材料分布問題，它可以明 確指出您需要采取的操作方式和材料放置位置。使用 OptiStruct 時，您可以避免因選擇過多而難以抉擇，因 為 OptiStruct 直接為您呈現了最佳解決方案。”

                                                                                                 Mark Stroud，Monash 車隊成員

    解決方案

    通過 Altair HyperWorks 可啟用仿真驅動設計流程，并對采用增材制造技術生產的組件進行結構上的優化設計。 在當前幾何圖形的限制范圍內，學生們在 Altair 的優化工具 OptiStruct 中創建了一個設計空間。他們通過應用邊界條 件（例如負載和制造約束）進行拓撲優化，并在 OptiStruct 的幫助下創建了一個剛度更高、質量更輕的組件結構。接 下來，學生們選取了 OptiStruct 設計方案，充分解讀并創建了有效的 CAD 設計方案。然后，在使用多載荷工況的情 況下，利用進一步的有限元分析對設計予以驗證。 部件的許多表面都應控制在較小的公差范圍內。此外，它還有很多安裝表面。因此需要密切關注零件的整體制造 過程，適當添加其它加工材料。

                               使用 OptiStruct 優化的鈦合金立柱。左側：確定設計空間是優化流程的首要步驟；

                                      右側：拓撲優化通過既定邊界條件 提供了最理想的材料分布。

    結論 

     OptiStruct 幫助 Monash 車隊最大程度地減輕了賽車重量，實現了項目的整體目標：為輕型設計立柱進一步“瘦 身”。利用 OptiStruct 與最新制造工藝（如鈦合金電子束熔融技術）優化結合而打造的部件，充分彰顯了其獨特的性 能優勢。與此前設計相比，不僅剛性更強、更加安全，而且總重量減輕了約 30%。對此，OptiStruct 功不可沒。它 從精妙的自然結構中汲取靈感，并通過優化材料分布來提供一種行之有效的設計方案。 

    3D 打印技術與傳統制造流程相比，可以節省一半以上的鈦合金材料。由于無需在計算機輔助制造流程或零件加 工方面花費過多時間，組件的生產速度得到極大提升。整個打印流程僅耗時一天，與去年鋁合金部件的制造流程相比， 節省了大量時間。 2013 年 12 月 13 日的這個周末，Monash 車隊實現了一次偉大的壯舉。他們連續第六次奪得 FSAE 澳大拉西亞站冠軍！憑借此次勝利，Monash 車隊成為了 SAE 方程式歷史上首個在單項比賽中榮獲六連冠殊榮的隊伍。 

    Monash 車隊是源自維多利亞克萊頓 Monash 大學主校區的一個學生社團組織。Monash 團隊由 70 名學生組成， 他們自行設計、打造開式車輪賽車參加 SAE 方程式比賽，這項比賽是世界上規模最大的學生工程設計比賽，共有超 過 500 個參賽車隊同場角逐冠軍大獎。通過參加比賽，Monash 車隊的學生們可以在各自的工程和商業領域獲得寶 貴的實踐經驗，這不僅豐富了他們的大學經歷，也為他們未來的職業道路奠定了堅實的基礎。更多信息請訪問 www.monashmotorsport.com。

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