CAE在自行車制造材料選擇中的優(yōu)化分析與應(yīng)用
項目介紹
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)品市場仍舊受限，而以技術(shù)展示居多。增材制造技術(shù)對于自行車制造商而言是一項令人興奮的技術(shù)，因為它具備更好的客戶化設(shè)計潛能。自行車的設(shè)計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)計技術(shù)要求，這是一個挑戰(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，“讓創(chuàng)建最好的自行車結(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。這種山地自行車可以根據(jù)個人的體重、身高和騎車風(fēng)格來量身定做，并且在時間成本和制造成本上都要達(dá)到可接受的程度。
挑戰(zhàn)
對于航空工業(yè)而言，RBC在增材制造以及開發(fā)產(chǎn)品和系統(tǒng)上已經(jīng)積累了很多的經(jīng)驗。但是在新的項目領(lǐng)域，整個團隊需要與行業(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。
他們的團隊找到了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)計的專家；Renishaw是增材制造機器領(lǐng)先的開發(fā)商；而AltairProductDesign團隊確保自行車的設(shè)計充分利用了增材制造在設(shè)計優(yōu)化技術(shù)上的靈活性。
重量是自行車制造商必須重視的一個問題在設(shè)計一輛自行車的時候，減少重量后不能對結(jié)構(gòu)的強度產(chǎn)生影響，例如通常減少重量會對自行車手產(chǎn)生很明顯的感官上的變化。這是一個工程團隊設(shè)計的難點，卻也是自行車手購買時所關(guān)心的重點。
解決方案
為了得到一個可定制、輕質(zhì)量、高強度的自行車，RBC的核心團隊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，如同自行車的其他部件結(jié)構(gòu)一樣，通過與增材制造的“鈦節(jié)點”連接在一起，根據(jù)自行車手的個人偏好來加工制造。
AltairProductDesign團隊的任務(wù)就是優(yōu)化這些鏈接頭，同時也包括自行車的頭管、座管和連接柄，以便保證這些部件在盡可能的輕的同時，也能承受山地行車下山時的受到的反作用力。所有的這些設(shè)計同時也需要滿足增材制造的要求。
在增材制造設(shè)計中，AltairProductDesign團隊的主要任務(wù)是給出一個最高效利用材料的方案，方案中所需的設(shè)計可以通過不同的自行車手的需求來給定。為了在項目工期內(nèi)，盡可能快地探索到一個優(yōu)化解決方案，AltairProductDesign通過solidThinkingInspire軟件將現(xiàn)有的設(shè)計輸入軟件環(huán)境，并快速施加自行車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)點的可用尺寸、固定點的位置等。
通過使用這些數(shù)據(jù)來導(dǎo)出新的幾何布局，這個幾何布局移除了不需要的材料，滿足了性能目標(biāo)。
該團隊然后將新的幾何導(dǎo)入HyperWorks軟件，采用HyperMesh來創(chuàng)建構(gòu)件的詳細(xì)模型，再用OptiStruct來進行更細(xì)化的材料厚度設(shè)計。通過這個流程，即可得到增材制造流程設(shè)計的新方案，其中包括了理想的打印角度和支撐結(jié)構(gòu)的安置方法，以避免加工過程中對構(gòu)件造成破壞。
為了設(shè)計出重量利用最高效的零件，Altair產(chǎn)品設(shè)計尋找簡化結(jié)構(gòu)框架的設(shè)計以便能夠降低產(chǎn)品的成本。例如綁定連接的連接柄，它最初是由3個部件構(gòu)成，2個對稱的鈦零件和1個插入的碳纖維管。
利用Altair軟件和工程專業(yè)知識，該團隊增材制造設(shè)計模型，重新對單個零件的連接柄進行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化質(zhì)量、承載性能和加工成本。該優(yōu)化工作是在solidThinkingInspire中進行，同時在HyperWorks軟件中進行詳細(xì)的分析。最后，AltairProductDesign團隊同HiETA公司進行了技術(shù)的傳遞，確保該公司在未來的產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)中能夠直接利用Altair的仿真技術(shù)。
結(jié)論
通過AltairProductDesign團隊的優(yōu)化工作成功交付了基于增材制造的鈦框架節(jié)點的質(zhì)量優(yōu)化設(shè)計。
這個由solidThinkingInspire驅(qū)動、通過Altair團隊演繹的新的材料布局，為增材制造加工創(chuàng)建了創(chuàng)新、有機且高度優(yōu)化的外觀設(shè)計方案。結(jié)構(gòu)重量減輕了，同時零件的數(shù)量也減少了，這大大降低了加工的復(fù)雜性和成本。
AltairProductDesign團隊的參與對輕量化、強結(jié)構(gòu)的設(shè)計做出了重要的貢獻(xiàn)，在HiETATechnologies和Renishaw公司的密切支持下，該款山地自行車現(xiàn)在已經(jīng)能投入產(chǎn)品制造。
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