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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。
    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。

 

 图1 最大的设计空间 
图1 最大的设计空间
图2 拓扑优化结果
图2 拓扑优化结果

图3 基于优化结果的重新设计

图3 基于优化结果的重新设计

责任编辑:吴星星
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