CAE在自行車(chē)制造材料選擇中的優(yōu)化分析與應(yīng)用

 項(xiàng)目介紹

 近些年，一些讓人感興趣的3D打印技術(shù)或者增材制造技術(shù)的案例被引入到自行車(chē)制造行業(yè)。但是直到今天，這種制造技術(shù)直接投放到產(chǎn)品市場(chǎng)仍舊受限，而以技術(shù)展示居多。增材制造技術(shù)對(duì)于自行車(chē)制造商而言是一項(xiàng)令人興奮的技術(shù)，因?yàn)樗邆涓玫目蛻艋O(shè)計(jì)潛能。自行車(chē)的設(shè)計(jì)需要充分利用工程仿真CAE技術(shù)，這就需要廣泛的工程和專業(yè)的設(shè)計(jì)技術(shù)要求，這是一個(gè)挑戰(zhàn)。

 RobotBike公司（RBC）確信將增材制造技術(shù)和碳纖維材料結(jié)合在一起是很有潛力的。用他們的話說(shuō)，“讓創(chuàng)建最好的自行車(chē)結(jié)構(gòu)成為了可能”。

 RBC希望采用增材制造技術(shù)去定制生產(chǎn)非常高端的山地自行車(chē)。這種山地自行車(chē)可以根據(jù)個(gè)人的體重、身高和騎車(chē)風(fēng)格來(lái)量身定做，并且在時(shí)間成本和制造成本上都要達(dá)到可接受的程度。

 挑戰(zhàn)

 對(duì)于航空工業(yè)而言，RBC在增材制造以及開(kāi)發(fā)產(chǎn)品和系統(tǒng)上已經(jīng)積累了很多的經(jīng)驗(yàn)。但是在新的項(xiàng)目領(lǐng)域，整個(gè)團(tuán)隊(duì)需要與行業(yè)伙伴一起合作，以便它能將重心轉(zhuǎn)移到可行的商業(yè)領(lǐng)域上。

 他們的團(tuán)隊(duì)找到了HiETATechnologies公司、Renishaw公司和Altair。HiETATechnologies公司是為增材制造技術(shù)做工業(yè)設(shè)計(jì)的專家；Renishaw是增材制造機(jī)器領(lǐng)先的開(kāi)發(fā)商；而AltairProductDesign團(tuán)隊(duì)確保自行車(chē)的設(shè)計(jì)充分利用了增材制造在設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)上的靈活性。

 重量是自行車(chē)制造商必須重視的一個(gè)問(wèn)題在設(shè)計(jì)一輛自行車(chē)的時(shí)候，減少重量后不能對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度產(chǎn)生影響，例如通常減少重量會(huì)對(duì)自行車(chē)手產(chǎn)生很明顯的感官上的變化。這是一個(gè)工程團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，卻也是自行車(chē)手購(gòu)買(mǎi)時(shí)所關(guān)心的重點(diǎn)。

解決方案

 為了得到一個(gè)可定制、輕質(zhì)量、高強(qiáng)度的自行車(chē)，RBC的核心團(tuán)隊(duì)決定采用碳纖維材料，這種材料在工業(yè)上的應(yīng)用非常廣泛。

 碳纖維管，如同自行車(chē)的其他部件結(jié)構(gòu)一樣，通過(guò)與增材制造的“鈦節(jié)點(diǎn)”連接在一起，根據(jù)自行車(chē)手的個(gè)人偏好來(lái)加工制造。

 AltairProductDesign團(tuán)隊(duì)的任務(wù)就是優(yōu)化這些鏈接頭，同時(shí)也包括自行車(chē)的頭管、座管和連接柄，以便保證這些部件在盡可能的輕的同時(shí)，也能承受山地行車(chē)下山時(shí)的受到的反作用力。所有的這些設(shè)計(jì)同時(shí)也需要滿足增材制造的要求。

 在增材制造設(shè)計(jì)中，AltairProductDesign團(tuán)隊(duì)的主要任務(wù)是給出一個(gè)最高效利用材料的方案，方案中所需的設(shè)計(jì)可以通過(guò)不同的自行車(chē)手的需求來(lái)給定。為了在項(xiàng)目工期內(nèi)，盡可能快地探索到一個(gè)優(yōu)化解決方案，AltairProductDesign通過(guò)solidThinkingInspire軟件將現(xiàn)有的設(shè)計(jì)輸入軟件環(huán)境，并快速施加自行車(chē)在使用期間自身框架需要的各種載荷數(shù)據(jù)和約束，比如節(jié)點(diǎn)的可用尺寸、固定點(diǎn)的位置等。

 通過(guò)使用這些數(shù)據(jù)來(lái)導(dǎo)出新的幾何布局，這個(gè)幾何布局移除了不需要的材料，滿足了性能目標(biāo)。

該團(tuán)隊(duì)然后將新的幾何導(dǎo)入HyperWorks軟件，采用HyperMesh來(lái)創(chuàng)建構(gòu)件的詳細(xì)模型，再用OptiStruct來(lái)進(jìn)行更細(xì)化的材料厚度設(shè)計(jì)。通過(guò)這個(gè)流程，即可得到增材制造流程設(shè)計(jì)的新方案，其中包括了理想的打印角度和支撐結(jié)構(gòu)的安置方法，以避免加工過(guò)程中對(duì)構(gòu)件造成破壞。

 為了設(shè)計(jì)出重量利用最高效的零件，Altair產(chǎn)品設(shè)計(jì)尋找簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)框架的設(shè)計(jì)以便能夠降低產(chǎn)品的成本。例如綁定連接的連接柄，它最初是由3個(gè)部件構(gòu)成，2個(gè)對(duì)稱的鈦零件和1個(gè)插入的碳纖維管。

 利用Altair軟件和工程專業(yè)知識(shí)，該團(tuán)隊(duì)增材制造設(shè)計(jì)模型，重新對(duì)單個(gè)零件的連接柄進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化質(zhì)量、承載性能和加工成本。該優(yōu)化工作是在solidThinkingInspire中進(jìn)行，同時(shí)在HyperWorks軟件中進(jìn)行詳細(xì)的分析。最后，AltairProductDesign團(tuán)隊(duì)同HiETA公司進(jìn)行了技術(shù)的傳遞，確保該公司在未來(lái)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中能夠直接利用Altair的仿真技術(shù)。

 結(jié)論

 通過(guò)AltairProductDesign團(tuán)隊(duì)的優(yōu)化工作成功交付了基于增材制造的鈦框架節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)。

這個(gè)由solidThinkingInspire驅(qū)動(dòng)、通過(guò)Altair團(tuán)隊(duì)演繹的新的材料布局，為增材制造加工創(chuàng)建了創(chuàng)新、有機(jī)且高度優(yōu)化的外觀設(shè)計(jì)方案。結(jié)構(gòu)重量減輕了，同時(shí)零件的數(shù)量也減少了，這大大降低了加工的復(fù)雜性和成本。

 AltairProductDesign團(tuán)隊(duì)的參與對(duì)輕量化、強(qiáng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)做出了重要的貢獻(xiàn)，在HiETATechnologies和Renishaw公司的密切支持下，該款山地自行車(chē)現(xiàn)在已經(jīng)能投入產(chǎn)品制造。

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