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源于大自然的灵感的轻量化设计

—— 将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

2017/2/16    来源:e-works    作者:Altair      
关键字:HyperWorks  拓扑优化  增材制造  
本文通过拓扑优化和增材制造技术相结合,实现Airbus APWorks Light Rider电动摩托车的轻量化设计。

 
基于OptiStruct和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。
责任编辑:吴星星
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