搜索拓撲優(yōu)化和增材制造技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于Airbus APWorks Light Rider 電動摩托車的研發(fā)
2017-02-15 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
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增材制造或3D打印 作為一種替代傳統(tǒng)的制造方法正在落地并逐漸被大家接受,它區(qū)別于其它方法最顯著的優(yōu)勢是輕量化。增材制造使得產(chǎn)品部件不僅質(zhì)輕,而且剛硬,具備很高性能。航空航天工業(yè)一直是增材制造的先驅(qū),現(xiàn)在其他行業(yè)如汽車行業(yè)等也越來越多地利用這種制造技術(shù)。
特別是將增材制造應(yīng)用于電動摩托車的開發(fā),它有助于達到重量目標(biāo),同時在同樣的時間,確保產(chǎn)品的效率,使復(fù)雜的幾何形狀的制造得以實現(xiàn)。
在此,我們以世界首輛3D打印的摩托車樣機Airbus APWorks Light Rider為例,這是一個利用增材制造方法實現(xiàn)創(chuàng)新的產(chǎn)品?！斑@樣一個復(fù)雜的有機分枝空心結(jié)構(gòu)是不可能采用傳統(tǒng)的制造方法,如焊接和銑削等加工方法實現(xiàn)”Airbus APWorks GmbH 首席執(zhí)行官Joachim Zettler 說道,(APWorks GmbH 是空客Airbus 集團的全資子公司)?！耙兄x拓撲優(yōu)化技術(shù)和空客公司內(nèi)部開發(fā)的新材料,使得這一全新的設(shè)計得以實現(xiàn)?！?br />
APWorks Light Rider: 設(shè)計研究成功案例
Light Rider 是由APWorks開發(fā),為現(xiàn)有的和潛在客戶展示金屬3D打印設(shè)計研究的成功案例。APWorks這一研究標(biāo)志著全新的零部件的研發(fā)、結(jié)構(gòu)再造、材料的優(yōu)化和3D打印相結(jié)合的成功。這些因素的組合導(dǎo)致重量和成本的節(jié)約,同時減少裝配時間,并有助于在零部件和組件集成新的額外的功能。此電動摩托車車架是基于大自然原理獲得的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。從視覺上,Light Rider的設(shè)計有點像咖啡賽車手Cafe Racer,自上世紀(jì)60年代英國系列摩托車。在APWorks工程師選定了組件如車燈、座位和顏色后,他們開始了設(shè)計流程。
此外,拓撲優(yōu)化技術(shù)和空客公司開發(fā)的高性能的鋁合金材料Scalmalloy®,是項目成功的關(guān)鍵因素。Scalmalloy®材料不僅耐腐蝕,而且結(jié)合了鋁的重量優(yōu)勢以及與鈦等同的強度優(yōu)勢。
“Light Rider展示了如何創(chuàng)建一個節(jié)省重量的精致結(jié)構(gòu),這個結(jié)構(gòu)選擇輕質(zhì)高強度材料如Scalmalloy®得以實現(xiàn)。”Zettler解釋道。
HyperWorks仿真驅(qū)動設(shè)計
APWorks工程師使用了Altair HyperWorks套件的各種仿真工具,對車架結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了仿真分析,HyperWorks是APWorks自2013成立以來一直使用的標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品研發(fā)軟件包。
APWorks 設(shè)計和優(yōu)化項目工程師Patrick Schürmann,他也是幾個月來Light Rider項目的技術(shù)開發(fā)支持工程師,他解釋道:“在我們的研發(fā)過程中,我們使用HyperMesh 建模,OptiStruct 軟件進行有限元分析和拓撲優(yōu)化,HyperView進行后處理。對于Light Rider 項目的車架和造型的重新設(shè)計,我們使用了一個外部CAD 軟件,未來我們打算采用solidThinking 中的設(shè)計工具Evolve 進行設(shè)計此項工作,這樣,Altair的產(chǎn)品家族將全面覆蓋APWorks仿真驅(qū)動設(shè)計產(chǎn)品研發(fā)的整個過程。”
優(yōu)化迎接3D打印之挑戰(zhàn)
在一個項目如Light Rider中,生成3D打印模型,優(yōu)化模型要求工程師克服三大挑戰(zhàn):
基于給定邊界條件創(chuàng)建最優(yōu)形狀 –- 一個可以很好處理拓撲優(yōu)化結(jié)果的研發(fā)步驟;
從優(yōu)化的結(jié)果導(dǎo)出幾何形狀 -- 代替使用傳統(tǒng)的CAD工具,直接使用建模工具如solidThinking Evolve和Inspire獲得更快更好的結(jié)果;
處理3D打印特定的制造約束。
優(yōu)化準(zhǔn)備
對于整體結(jié)構(gòu)中零部件的優(yōu)化,如Light Rider的車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計,首先是要指定一些設(shè)計參數(shù)作為邊界條件,例如滿足整體人機工程學(xué)的車輪軸間距、車把的幾何位置、腳踏板、座位定位等。在要優(yōu)化區(qū)域定義一個大的設(shè)計空間,這個設(shè)計空間與摩托車車架的外尺寸相對應(yīng),有了這些定義,軟件就知道載荷被引入的位置和各零部件之間的關(guān)系。
通過仿真計算,該軟件可以確定最佳的傳力路徑,并為工程師提供詳細的必要的材料布局。在這種優(yōu)化運算中,需要考慮摩托車車架上多種不同的載荷工況,如各種源于數(shù)據(jù)表(如正常的輪胎上的力、摩擦等)載荷;摩托車不同點的受力情況,例如把手或腳踏板上受拉或受壓等載荷。
在創(chuàng)建設(shè)計空間時,摩托車的所有裝配關(guān)系也必須考慮在內(nèi),這些被定義為特定的邊界條件,如必要的鉆孔位置和安裝點,即使在初始的規(guī)劃階段,工程師們必須確定所有的螺栓連接關(guān)系,不能遺漏任何細節(jié),以創(chuàng)建一個完整的裝配產(chǎn)品。
最大的設(shè)計空間 拓撲優(yōu)化結(jié)果 基于優(yōu)化結(jié)果的重新設(shè)計
基于OptiStruct 和 Inspire 的拓撲優(yōu)化
拓撲優(yōu)化在仿真和設(shè)計領(lǐng)域提供了頗有價值的支持。指定最大的設(shè)計空間,給定載荷和其他邊界條件后,定義優(yōu)化目標(biāo),之后軟件能夠計算出一個最優(yōu)的設(shè)計方案---即同時滿足剛度和固有頻率的要求、重量最小的設(shè)計。
這個設(shè)計方案和理念來自于大自然這個非凡的設(shè)計模板。拓撲優(yōu)化特別適合于增材制造,因為它把材料只用于它需要的地方,可以很好地通過3D打印實現(xiàn)加工制造。此外,拓撲優(yōu)化軟件OptiStruct 和solidThinking/Inspire讓工程師在設(shè)計初始就可以在設(shè)計空間上定義所謂的非設(shè)計空間,這樣,軟件在這些非設(shè)計空間的區(qū)域不會對結(jié)構(gòu)做出任何的變動。“我們工程師在HyperWorks套件的使用上很有經(jīng)驗。我們非常喜歡HyperWorks,因為我們知道我們可以信賴Altair產(chǎn)品提供的結(jié)果,我們使用這個軟件工具于不同的產(chǎn)品研發(fā)階段。仿真驅(qū)動設(shè)計流程是Altair 一貫追求和支持的理念,對我們也尤為重要,因為這個流程提供了一個創(chuàng)新、可靠、受自然啟迪的設(shè)計。沒有設(shè)計驅(qū)動的流程,這些結(jié)果是不可能得到的。”Patrick Schürmann 說。
接下來的問題是如何處理這個復(fù)雜的設(shè)計,即如何將拓撲優(yōu)化的結(jié)果導(dǎo)入CAD或CAE系統(tǒng)?優(yōu)化運行后的結(jié)構(gòu)常常需要重新建模,得到光順的結(jié)構(gòu)以適應(yīng)3D打印?！斑@需要很多的know-how技術(shù)來實現(xiàn)從拓撲優(yōu)化到設(shè)計方案,進而滿足生產(chǎn)中各種需求進行全面的規(guī)劃和實施” Patrick Schürmann解釋說。重新設(shè)計后,需要利用有限元分析進行重新評估負載、應(yīng)力強度或其它重要性能。在實施制造約束時,設(shè)計指南條例是一個必要的參考。最后但同樣重要的,APworks工程師的經(jīng)驗是滿足這個知識轉(zhuǎn)化過程的關(guān)鍵?！八且粋€將經(jīng)驗和軟件相結(jié)合的解決方案。由于空客集團內(nèi)部的研發(fā)部門研發(fā)了所需的材料,我們能夠直接與冶金專家溝通,這點十分重要,因為在這種方式下,仿真設(shè)計工程師能夠充分了解材料的性能,保證了我們能夠打印出所需的復(fù)雜的幾何形狀?！?Patrick Schürmann解釋道。
金屬3D 打印
對金屬(scalmalloy®)的生產(chǎn),3D打印整個摩托車車架,我們必須考慮在3D 打印機部件的定位。迄今為止,沒有一個金屬3D打印機能夠單件打印一個整體車架,因此,不得不分為多個部件進行打印,同時考慮各個部件的定位以及充分利用打印機的空間。
3D打印盡管很自由,但也必須考慮一些特殊的邊界條件。除了上述打印機中的組件的定位,還需要考慮具體的支撐結(jié)構(gòu)、制造方向和特殊角度等。支撐結(jié)構(gòu)需要在打印過程中固定組件并消除激光產(chǎn)生的熱。這些制造的約束是必須考慮的特別是在應(yīng)用激光堆積金屬粉末床的過程中。
革命性的結(jié)果
Light Rider樣機展示了利用拓撲優(yōu)化、新材料、增材制造以及仿真驅(qū)動設(shè)計流程的益處,即整體減重和提升性能的潛力。這些數(shù)字很好表達了這一能力:摩托車總重量為35公斤,車架的重量只有6公斤,這輛4千瓦的電動車從0加速到45公里/小時,只需3秒鐘。
“在我們的Light Rider項目中,拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化、創(chuàng)新材料和3D打印的結(jié)合使我們能夠在摩托車研發(fā)中實現(xiàn)面向自然的設(shè)計。這正是我們在這個項目中追求的革命化和輕量化的設(shè)計,”Joachim Zettler進一步肯定了項目的成功。
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