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源于大自然的灵感:3D拓扑优化、新材料、增材制造技术相结

作者:Simwe    来源:Altair    发布时间:2017-02-10    收藏】 【打印】  复制连接  【 】 我来说两句:(0逛逛论坛

源于大自然的灵感:3D拓扑优化、新材料、增材制造技术相结合应用于Airbus APWorks Light Rider电动摩托车的研发,获得革命性的轻量化设计

        增材制造或3D打印作为一种替代传统的制造方法正在落地并逐渐被大家接受,它区别于其它方法最显著的优势是轻量化。增材制造使得产品部件不仅质轻,而且刚硬,具备很高性能。航空航天工业一直是增材制造的先驱,现在其他行业如汽车行业等也越来越多地利用这种制造技术。

        特别是将增材制造应用于电动摩托车的开发,它有助于达到重量目标,同时在同样的时间,确保产品的效率,使复杂的几何形状的制造得以实现。

        在此,我们以世界首辆3D打印的摩托车样机Airbus APWorks Light Rider 为例,这是一个利用增材制造方法实现创新的产品。“这样一个复杂的有机分枝空心结构是不可能采用传统的制造方法,如焊接和铣削等加工方法实现”Airbus APWorks GmbH首席执行官 Joachim Zettler说道,(APWorks GmbH是空客Airbus集团的全资子公司)。“要感谢拓扑优化技术和空客公司内部开发的新材料,使得这一全新的设计得以实现。”
 
APWorks Light Rider: 设计研究成功案例

        Light Rider 是由APWorks开发,为现有的和潜在客户展示金属3D打印设计研究的成功案例。APWorks这一研究标志着全新的零部件的研发、结构再造、材料的优化和3D打印相结合的成功。这些因素的组合导致重量和成本的节约,同时减少装配时间,并有助于在零部件和组件集成新的额外的功能。此电动摩托车车架是基于大自然原理获得的结构优化设计。从视觉上,Light Rider的设计有点像咖啡赛车手Cafe Racer,自上世纪60年代英国系列摩托车。在APWorks工程师选定了组件如车灯、座位和颜色后,他们开始了设计流程。

        此外,拓扑优化技术和空客公司开发的高性能的铝合金材料Scalmalloy®,是项目成功的关键因素。Scalmalloy®材料不仅耐腐蚀,而且结合了铝的重量优势以及与钛等同的强度优势。

        “Light Rider展示了如何创建一个节省重量的精致结构,这个结构选择轻质高强度材料如Scalmalloy®得以实现。” Zettler解释道。



HyperWorks仿真驱动设计

        APWorks工程师使用了Altair HyperWorks套件的各种仿真工具,对车架结构设计进行了仿真分析,HyperWorks是APWorks自2013成立以来一直使用的标准的产品研发软件包。

        APWorks 设计和优化项目工程师Patrick Schürmann,他也是几个月来Light Rider项目的技术开发支持工程师,他解释道:“在我们的研发过程中,我们使用HyperMesh建模,OptiStruct软件进行有限元分析和拓扑优化,HyperView进行后处理。对于Light Rider项目的车架和造型的重新设计,我们使用了一个外部CAD软件,未来我们打算采用solidThinking中的设计工具Evolve进行设计此项工作,这样,Altair的产品家族将全面覆盖APWorks仿真驱动设计产品研发的整个过程。”
 
优化迎接3D打印之挑战

         在一个项目如Light Rider中,生成3D打印模型,优化模型要求工程师克服三大挑战:
        1. 基于给定边界条件创建最优形状 –- 一个可以很好处理拓扑优化结果的研发步骤;
        2. 从优化的结果导出几何形状 -- 代替使用传统的CAD工具,直接使用建模工具如solidThinking Evolve 和 Inspire获得更快更好的结果;
        3. 处理3D打印特定的制造约束。
 
优化准备

       对于整体结构中零部件的优化,如Light Rider的车架结构的优化设计,首先是要指定一些设计参数作为边界条件,例如满足整体人机工程学的车轮轴间距、车把的几何位置、脚踏板、座位定位等。在要优化区域定义一个大的设计空间,这个设计空间与摩托车车架的外尺寸相对应,有了这些定义,软件就知道载荷被引入的位置和各零部件之间的关系。

         通过仿真计算,该软件可以确定最佳的传力路径,并为工程师提供详细的必要的材料布局。在这种优化运算中,需要考虑摩托车车架上多种不同的载荷工况,如各种源于数据表(如正常的轮胎上的力、摩擦等)载荷;摩托车不同点的受力情况,例如把手或脚踏板上受拉或受压等载荷。

        在创建设计空间时,摩托车的所有装配关系也必须考虑在内,这些被定义为特定的边界条件,如必要的钻孔位置和安装点,即使在初始的规划阶段,工程师们必须确定所有的螺栓连接关系,不能遗漏任何细节,以创建一个完整的装配产品。


基于OptiStruct Inspire的拓扑优化

        拓扑优化在仿真和设计领域提供了颇有价值的支持。指定最大的设计空间,给定载荷和其他边界条件后,定义优化目标,之后软件能够计算出一个最优的设计方案---即同时满足刚度和固有频率的要求、重量最小的设计。

       这个设计方案和理念来自于大自然这个非凡的设计模板。拓扑优化特别适合于增材制造,因为它把材料只用于它需要的地方,可以很好地通过3D打印实现加工制造。此外,拓扑优化软件OptiStruct 和 solidThinking/Inspire 让工程师在设计初始就可以在设计空间上定义所谓的非设计空间,这样,软件在这些非设计空间的区域不会对结构做出任何的变动。“我们工程师在HyperWorks套件的使用上很有经验。我们非常喜欢HyperWorks,因为我们知道我们可以信赖Altair产品提供的结果,我们使用这个软件工具于不同的产品研发阶段。仿真驱动设计流程是Altair一贯追求和支持的理念,对我们也尤为重要,因为这个流程提供了一个创新、可靠、受自然启迪的设计。没有设计驱动的流程,这些结果是不可能得到的。” Patrick Schürmann说。

       接下来的问题是如何处理这个复杂的设计,即如何将拓扑优化的结果导入CAD或CAE系统?优化运行后的结构常常需要重新建模,得到光顺的结构以适应3D打印。“这需要很多的know-how技术来实现从拓扑优化到设计方案,进而满足生产中各种需求进行全面的规划和实施” Patrick Schürmann解释说。重新设计后,需要利用有限元分析进行重新评估负载、应力强度或其它重要性能。在实施制造约束时,设计指南条例是一个必要的参考。最后但同样重要的,APworks工程师的经验是满足这个知识转化过程的关键。“它是一个将经验和软件相结合的解决方案。由于空客集团内部的研发部门研发了所需的材料,我们能够直接与冶金专家沟通,这点十分重要,因为在这种方式下,仿真设计工程师能够充分了解材料的性能,保证了我们能够打印出所需的复杂的几何形状。” Patrick Schürmann解释道。
 
金属3D打印

       对金属(scalmalloy®)的生产,3D打印整个摩托车车架,我们必须考虑在3D打印机部件的定位。迄今为止,没有一个金属3D打印机能够单件打印一个整体车架,因此,不得不分为多个部件进行打印,同时考虑各个部件的定位以及充分利用打印机的空间。

       3D打印尽管很自由,但也必须考虑一些特殊的边界条件。除了上述打印机中的组件的定位,还需要考虑具体的支撑结构、制造方向和特殊角度等。支撑结构需要在打印过程中固定组件并消除激光产生的热。这些制造的约束是必须考虑的特别是在应用激光堆积金属粉末床的过程中。
 
革命性的结果

       Light Rider样机展示了利用拓扑优化、新材料、增材制造以及仿真驱动设计流程的益处,即整体减重和提升性能的潜力。这些数字很好表达了这一能力:摩托车总重量为35公斤,车架的重量只有6公斤,这辆4千瓦的电动车从0加速到45公里/小时,只需3秒钟。

       “在我们的Light Rider项目中,拓扑结构优化、创新材料和3D打印的结合使我们能够在摩托车研发中实现面向自然的设计。这正是我们在这个项目中追求的革命化和轻量化的设计,” Joachim Zettler进一步肯定了项目的成功。

 
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