Оптимизация крепления подвески гоночного автомобиля

Информация о реальном примере предоставлена Томасом Фон-де-Хаутом из команды студентов Formula из Технического Университета Delft (TU Delft), Нидерланды

Сочетание 3D-печати и топологической оптимизации (Глава 18) значительно повлияло на современные методы конструирования и изготовления деталей высокой производительности. Топологическая оптимизация использовалась и для создания конструкции крепления подвески, подвергающегося высоким нагрузкам, для электрического гоночного автомобиля DUT15, разработанного командой студентов Formula из Технического Университета Delft (TU Delft) в Нидерландах. Крепление служит основным соединительным элементом между колесами и шасси автомобиля, и выдерживает нагрузку до 400 кг.

Для начала цикла топологической оптимизации была выполнена очень грубая изначальная конструкция. Конструкция включала все точки соединения с другими частями автомобиля, все требования к геометрии и была сделана максимально большой и тяжелой, обеспечив тем самым максимальную свободу оптимизации.

Эта модель использовалась для точной настройки исходных данных для выполнения алгоритма оптимизации (нагрузки, требования) и получения грубой внешней формы.

При запуске топологической оптимизации по нескольким сценариям команда получила ряд возможных конструкторских решений. Также, было установлено, что производство детали как единого компонента не представляется возможным. Из-за наличия требований возможности регулировки к подвеске автомобиля, конструкцию необходимо было разделить на составные части, чтобы упростить техническое обслуживание и замену изделия. Теперь, уже в результате запуска имитации сборной конструкции, было получено решение, которое было более простым и реалистичным в плане внедрения и производства.

Конструкция была разработана в CAD-системе, которая соответствовала результатам топологической оптимизации. Затем, производительность модели оценивалась с использованием моделирования методом конечных элементов. Запуск имитации позволили команде убедиться, что напряжения в CAD-модели соответствуют напряжениям топологической оптимизации.

В силу конструкции компонентов, единственным возможным методом изготовления была 3D-печать.

В качестве материала для крепления был выбран титан 5 категории, и метод печати металлом SLM. Это сочетание материала и технологии производства позволило создать легкую деталь с пределом текучести 850 МПа, вес которой был ниже более чем в два раза, а прочность в два раза выше по сравнению с эквивалентной деталью, выполненной методом обработки стали.

После завершения печати, деталь установили в электрический гоночный автомобиль DUT15. Деталь, прослужила в течение всего гоночного сезона, а DUT15 занял первое место в двух заездах из трех, в которых участвовала команда.