利用仿真分析實(shí)現(xiàn)新材料的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2017-01-05 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

分析和優(yōu)化工具幫助三星工程師在不犧牲性能的條件下降低設(shè)備成本

韓中合資的蘇州三星電子公司開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)主流的家電產(chǎn)品,包括冰箱和洗衣機(jī)等。公司通過(guò)在不犧牲產(chǎn)品性能的同時(shí)減少材料的使用,從而不斷尋求新的途徑來(lái)提升競(jìng)爭(zhēng)力。

家電產(chǎn)品是競(jìng)爭(zhēng)非常激烈的市場(chǎng),所以家電設(shè)備制造商在創(chuàng)建新的設(shè)計(jì)時(shí)特別強(qiáng)調(diào)技術(shù)創(chuàng)新和成本效益。而簡(jiǎn)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和控制生產(chǎn)工藝是成本控制的重要因素,原材料的選擇在降低成本方面起著重要作用。

仿真技術(shù)在三星實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)方面扮演者重要角色,為其商業(yè)產(chǎn)品線挖掘輕量化機(jī)會(huì)和替代材料的機(jī)會(huì)。

輕量化實(shí)現(xiàn)皮帶輪的優(yōu)化

程福萍,蘇州三星經(jīng)理,解釋道公司為其某一型號(hào)的洗衣機(jī)優(yōu)化皮帶輪的設(shè)計(jì)。皮帶輪在電機(jī)和滾筒之間起轉(zhuǎn)乘作用。

傳統(tǒng)的皮帶輪通常為鑄鋁材料,由于生產(chǎn)成本的壓力,像蘇州三星這樣的企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始關(guān)注通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)或使用新材料來(lái)減少皮帶輪的重量,其中性能和成本是主要的考慮因素。所以蘇州三星利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)來(lái)滿足相關(guān)設(shè)計(jì)和材料的挑戰(zhàn)。

為了實(shí)現(xiàn)皮帶輪的優(yōu)化設(shè)計(jì),蘇州三星選擇了OptiStruct,Altair HyperWorks計(jì)算機(jī)輔助工程工具和現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化求解器的重要部分?！?/span>OptiStruct給我們提供了重要的優(yōu)化功能,比如拓?fù)?、尺寸和形狀?yōu)化?！背坦ふf(shuō),“我們對(duì)通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化來(lái)獲得最有效結(jié)構(gòu)或材料布局特別感興趣?！?/span>

蘇州三星的工程師找出最優(yōu)的材料布局或輪輻區(qū)最小的體積,優(yōu)化5輻皮帶輪。

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鑄鋁材料5輻皮帶輪的原始設(shè)計(jì)

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Altair OptiStruct拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

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鑄鋁材料4輻皮帶輪的優(yōu)化CAD模型

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優(yōu)化后的鑄鋁材料4輻皮帶輪現(xiàn)在已批量生產(chǎn)

拓?fù)鋬?yōu)化之后先創(chuàng)建4輻皮帶輪。形狀優(yōu)化能夠使工程師確定輪輻末端岔開(kāi)的角度。相對(duì)于5輻皮帶輪,重新創(chuàng)建的CAD模型顯示皮帶輪的總體積減少了6%。

現(xiàn)在,鑄鋁材料4輻皮帶輪已經(jīng)得到了大規(guī)模生產(chǎn),三星公司也通過(guò)皮帶輪的再設(shè)計(jì)獲得了專利。尼龍材料的皮帶輪目前還處于試驗(yàn)階段。三星公司繼續(xù)使用OptiStruct和HyperWorks CAE套件來(lái)挖掘可使用的替代材料,進(jìn)一步降低皮帶輪的成本,增強(qiáng)性能。

為材料替代設(shè)計(jì)

為了保持生產(chǎn)成本的下降,蘇州三星考慮改變冰箱門(mén)蓋的的設(shè)計(jì)。冰箱門(mén)由上門(mén)蓋、下門(mén)蓋、鋼板、內(nèi)膽以及發(fā)泡料組成。ABS工程塑料通常是通過(guò)注塑成型而制成,用在上門(mén)蓋和下門(mén)蓋上,被安裝在門(mén)端,固定門(mén)的位置。

為了控制成本,公司試圖用HIPS來(lái)替代門(mén)蓋的ABS材料進(jìn)行注塑成型。不幸的是,在物理試驗(yàn)中,HIPS制成的門(mén)蓋在三星的溫度循環(huán)試驗(yàn)中發(fā)生了開(kāi)裂。

工程師通過(guò)仿真來(lái)驗(yàn)證他們的物理測(cè)試結(jié)果,從而找到HIPS門(mén)蓋設(shè)計(jì)的修改方法,消除開(kāi)裂現(xiàn)象。

趙守振,CAE工程師,解釋道,在物理可靠性測(cè)試過(guò)程中,門(mén)被放置在變溫室內(nèi),溫度起初先降低到令人不寒而栗的水平,然后提升到高溫狀態(tài),最后再降到冰點(diǎn)。在這個(gè)溫度循環(huán)過(guò)程中,由HIPS材料制成的冰箱上下門(mén)蓋的頂部表面發(fā)生了開(kāi)裂,裂紋開(kāi)始于門(mén)蓋前邊緣的中間位置。

蘇州三星的工程師開(kāi)始對(duì)材料、結(jié)構(gòu)和注塑成型流程進(jìn)行分析,找出開(kāi)裂的原因。他們知道相比ABS,HIPS的強(qiáng)度和韌性要差一些,并且熱膨脹系數(shù)要大,在溫度急劇變化的情況下變形較大。顯而易見(jiàn),材料的改變是導(dǎo)致開(kāi)裂的主要因素。

其次,出于美觀的角度,門(mén)蓋的邊緣采用了平面倒斜角的形式,導(dǎo)致了外邊緣強(qiáng)度的降低。在注塑成型的過(guò)程中,上門(mén)蓋采用三點(diǎn)進(jìn)膠,中間部位存在澆口,下門(mén)蓋采用兩點(diǎn)式進(jìn)膠,中間部位存在熔接線,在澆口和熔接線附近會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力,這種殘余應(yīng)力的存在會(huì)加劇門(mén)蓋在中間部位開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。

仿真催生解決方案

為了定性和定量分析門(mén)蓋在熱膨脹和收縮狀態(tài)下的應(yīng)力,工程師使用了HyperMesh,高效的有限元前處理工具和RADIOSS,結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化求解器;兩者都是Altair HyperWorks CAE解決方案中的一部分。工程師利用HyperMesh創(chuàng)建了冰箱門(mén)蓋的溫度場(chǎng)的計(jì)算機(jī)仿真。鋼板和內(nèi)膽采用面網(wǎng)格劃分,發(fā)泡料采用體網(wǎng)格。

因?yàn)槊總€(gè)部件的材料參數(shù)是在室溫下測(cè)定的數(shù)據(jù),所以模擬分為兩個(gè)工況:從室溫到低溫(工況1)和從室溫到高溫(工況2)。

仿真分析指出,在工況1中,門(mén)蓋的應(yīng)力和變形較大,即門(mén)蓋開(kāi)裂是由低溫時(shí)的收縮引起的,這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的,最大應(yīng)力發(fā)生在上下門(mén)蓋的前邊緣的中間部位,與實(shí)際斷裂部位也是吻合的。

材料由ABS改為HIPS后,安全系數(shù)由2.0降低到1.3,由于HIPS更低的應(yīng)力限制,最大變形也由2.8mm增加到3.3mm。再加上溫度循環(huán)累計(jì)的效應(yīng),所以門(mén)蓋會(huì)發(fā)生開(kāi)裂。工程師接下去開(kāi)始評(píng)估防止開(kāi)裂的方法,從增加門(mén)蓋頂部表面的厚度和增加縱向和橫向加強(qiáng)筋開(kāi)始。

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溫度循環(huán)后冰箱門(mén)蓋開(kāi)裂

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工況1(左)溫度循環(huán)后冰箱門(mén)蓋開(kāi)裂和工況2(右)的門(mén)體整體變形云圖(HIPS)

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工況1(左)和工況2(右)的上門(mén)蓋應(yīng)力云圖

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上門(mén)蓋(上)和下門(mén)蓋(下)的原始和改進(jìn)優(yōu)化對(duì)比

“我們提出了兩種改進(jìn)方案,然后利用HyperMesh分別進(jìn)行CAE分析,”趙工說(shuō),“經(jīng)過(guò)分析,延長(zhǎng)加強(qiáng)筋的長(zhǎng)度和高度的方案將門(mén)蓋的安全系數(shù)增加到2.0,和ABS材料的安全系數(shù)一樣。”門(mén)體整體變形也由3.3mm減小到2.3mm(超過(guò)ABS)。

盡管上下門(mén)蓋重量分別增加27.6g和17.5g,HIPS的成本還是少于ABS;所以即使重量稍有增加,HIPS還是降低了整體的材料成本。

利用低成本的材料改進(jìn)強(qiáng)度

利用HyperWorksCAE工具進(jìn)行有限元分析,蘇州三星快速驗(yàn)證了門(mén)蓋開(kāi)裂的原因。通過(guò)仿真分析,工程師能夠改進(jìn)門(mén)蓋的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,將ABS更換為HIPS材料,實(shí)現(xiàn)更低的成本效益的目標(biāo)。

“利用HyperWorks工具來(lái)分析溫度場(chǎng)、提高產(chǎn)品質(zhì)量和成本競(jìng)爭(zhēng)力,同時(shí)增強(qiáng)了研發(fā)目標(biāo),這是家電制造商的一個(gè)成功案例,”趙工說(shuō),“HyperWorks使我們實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新,利用新的材料來(lái)保持產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力,維護(hù)高品質(zhì)的產(chǎn)品聲譽(yù)?！?/span>

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