拓?fù)鋬?yōu)化和增材制造技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于Airbus APWorks Light Rider 電動(dòng)摩托車的研發(fā)

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(jì)進(jìn)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(jì)和優(yōu)化項(xiàng)目工程師Patrick Schürmann,他也是幾個(gè)月來Light Rider項(xiàng)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(jìn)行有限元分析和拓?fù)鋬?yōu)化,HyperView進(jìn)行后處理。對于Light Rider 項(xiàng)目的車架和造型的重新設(shè)計(jì),我們使用了一個(gè)外部CAD 軟件,未來我們打算采用solidThinking 中的設(shè)計(jì)工具Evolve 進(jìn)行設(shè)計(jì)此項(xiàng)工作,這樣,Altair的產(chǎn)品家族將全面覆蓋APWorks仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)產(chǎn)品研發(fā)的整個(gè)過程?！?/span>

在一個(gè)項(xiàng)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):

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(jì),首先是要指定一些設(shè)計(jì)參數(shù)作為邊界條件,例如滿足整體人機(jī)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(gè)大的設(shè)計(jì)空間,這個(gè)設(shè)計(jì)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(jì)算,該軟件可以確定最佳的傳力路徑,并為工程師提供詳細(xì)的必要的材料布局。在這種優(yōu)化運(yùn)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(diǎn)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(jì)空間時(shí),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(diǎn),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(xì)節(jié),以創(chuàng)建一個(gè)完整的裝配產(chǎn)品。

最大的設(shè)計(jì)空間 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果 基于優(yōu)化結(jié)果的重新設(shè)計(jì)

拓?fù)鋬?yōu)化在仿真和設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供了頗有價(jià)值的支持。指定最大的設(shè)計(jì)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(jì)算出一個(gè)最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案---即同時(shí)滿足剛度和固有頻率的要求、重量最小的設(shè)計(jì)。

這個(gè)設(shè)計(jì)方案和理念來自于大自然這個(gè)非凡的設(shè)計(jì)模板。拓?fù)鋬?yōu)化特別適合于增材制造,因?yàn)樗巡牧现挥糜谒?/span>需要的地方,可以很好地通過3D打印實(shí)現(xiàn)加工制造。此外,拓?fù)鋬?yōu)化軟件OptiStruct 和solidThinking/Inspire讓工程師在設(shè)計(jì)初始就可以在設(shè)計(jì)空間上定義所謂的非設(shè)計(jì)空間,這樣,軟件在這些非設(shè)計(jì)空間的區(qū)域不會(huì)對結(jié)構(gòu)做出任何的變動(dòng)。“我們工程師在HyperWorks套件的使用上很有經(jīng)驗(yàn)。我們非常喜歡HyperWorks,因?yàn)槲覀冎牢覀兛梢?/span>信賴Altair產(chǎn)品提供的結(jié)果,我們使用這個(gè)軟件工具于不同的產(chǎn)品研發(fā)階段。仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)流程是Altair 一貫追求和支持的理念,對我們也尤為重要,因?yàn)檫@個(gè)流程提供了一個(gè)創(chuàng)新、可靠、受自然啟迪的設(shè)計(jì)。沒有設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)的流程,這些結(jié)果是不可能得到的?！盤atrick Schürmann 說。

接下來的問題是如何處理這個(gè)復(fù)雜的設(shè)計(jì),即如何將拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果導(dǎo)入CAD或CAE系統(tǒng)?優(yōu)化運(yùn)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(shí)現(xiàn)從拓?fù)鋬?yōu)化到設(shè)計(jì)方案,進(jìn)而滿足生產(chǎn)中各種需求進(jìn)行全面的規(guī)劃和實(shí)施” Patrick Schürmann解釋說。重新設(shè)計(jì)后,需要利用有限元分析進(jìn)行重新評估負(fù)載、應(yīng)力強(qiáng)度或其它重要性能。在實(shí)施制造約束時(shí),設(shè)計(jì)指南條例是一個(gè)必要的參考。最后但同樣重要的,APworks工程師的經(jīng)驗(yàn)是滿足這個(gè)知識轉(zhuǎn)化過程的關(guān)鍵?！八且粋€(gè)將經(jīng)驗(yàn)和軟件相結(jié)合的解決方案。由于空客集團(tuán)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(diǎn)十分重要,因?yàn)樵谶@種方式下,仿真設(shè)計(jì)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。

對金屬(scalmalloy®)的生產(chǎn),3D打印整個(gè)摩托車車架,我們必須考慮在3D 打印機(jī)部件的定位。迄今為止,沒有一個(gè)金屬3D打印機(jī)能夠單件打印一個(gè)整體車架,因此,不得不分為多個(gè)部件進(jìn)行打印,同時(shí)考慮各個(gè)部件的定位以及充分利用打印機(jī)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(jī)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。

Light Rider樣機(jī)展示了利用拓?fù)鋬?yōu)化、新材料、增材制造以及仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)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(dá)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(dòng)車從0加速到45公里/小時(shí),只需3秒鐘。

“在我們的Light Rider項(xiàng)目中,拓?fù)浣Y(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(shí)現(xiàn)面向自然的設(shè)計(jì)。這正是我們在這個(gè)項(xiàng)目中追求的革命化和輕量化的設(shè)計(jì),”Joachim Zettler進(jìn)一步肯定了項(xiàng)目的成功。