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兩種設計、不同的性能,通過仿真分析直觀獲取創成式建模的結果比較

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-08-19 10:32:44   瀏覽次數:507  
核心提示:兩種設計、不同的性能,通過仿真分析直觀獲取創成式建模的結果比較
    創成式設計(Generative Design)是一種參數化建模方式,在設計的過程中,當設計師輸入產品參數之后,算法將自動進行調整判斷,直到獲得最優化的設計。創成式設計可以幫助設計師優化零件強度重量比,可以模仿自然結構發展的方式,創造出最強大的結構,同時最大限度地減少材料的使用。
 
QQ圖片20190819102901
圖:創成式設計
 
    在3D打印領域,最為經典的創成式設計作品是A320飛機開發的一個大尺寸的“仿生力學”的機艙隔離結構件??紤]到每家飛機的服役情況,這將累計帶來高達96000噸的二氧化碳排放量的減少。這一案例顯示了創成式與3D打印制造技術結合起來所釋放的潛力前景:更輕、更強、能源消耗更少的下一代產品時代正在到來。
 
QQ圖片20190819103025
圖:A320機艙隔離結構件

    而為了給電動汽車減重,通用汽車正在采用創成式設計軟件對車內零部件進行優化設計,通過座椅支架的減重揭示了3D打印對于零件潛在質量和強度改進的潛力。
 
QQ圖片20190819103034
圖:通用汽車的創成式設計座椅支架
 
    當然,創成式軟件所設計出來的零件多種多樣,每種零件的性能各不相同,具體選擇哪一種設計,這時候仿真就發揮了無需真正制造出來而對設計實現比較的便利性。
 
QQ圖片20190819103104
圖1 :2019年TCT展會上展出的創成式輪轂樣品,來源安世亞太
 
    2019年2月21日-23日在上海新國際博覽中心舉辦的2019TCT展會上,安世亞太攜手杭州德迪和重慶安德瑞源展出了兩款創成式輪轂的3D打印產品,吸引了汽車行業的很大興趣。
 
    那么接下來通過CAE仿真分析來揭示輪轂的結構受力狀況,從而直觀的領略創成式軟件所設計的兩種不同方案的輪轂的不同之處。
 
    帶蜂窩設計的結構與不帶蜂窩設計的結構
 
    創成式輪轂方案1的結構是蜂窩狀的結構,且每個輪輻都呈現出樹狀的設計思路。
 
QQ圖片20190819103116
圖2:創成式輪轂方案1的結構及剖面圖和局部細節圖,來源安世亞太
 
而創成式輪轂方案2的結構是另外一種設計思路,沒有蜂窩狀的結構。這兩種方案的受力狀態如何,孰優孰劣讓我們通過對其CAE仿真分析進行驗證。
 
輪轂有限元模型建立
 
本次分析采用四面體單元以3mm大小進行網格劃分,同時為了體現輪轂的局部特征,在圓角等特征處對網格進行了加密處理,見圖4和圖5所示。方案1和方案2的單元數分別為339萬和217萬,主要是由于方案1的輪轂有許多的蜂窩狀結構,單元在蜂窩狀處比較密集。本次材料選用了304L stainless steel進行分析,其屈服強度和抗拉強度分別為577MPa和579MPa,其參數來自于增材制造材料庫。
 
 
圖4:創成式輪轂方案1的網格模型及局部網格細節,來源安世亞太
 
 
圖5:創成式輪轂方案2的網格模型及局部網格細節,來源安世亞太
 
分析依據:GB/T 5334-2005 乘用車車輪性能要求及試驗方法,采用線性靜強度仿真分析。
 
分析工況:彎曲工況和徑向工況
 
彎曲工況:采用車輪的最大負荷為600kg進行計算,施加的彎矩為2062Nm,力臂為0.6m,加載力為3437N。在輪輞的內側邊緣位置施加全約束。
 
徑向工況:徑向加載為13230N,在120°按余弦分布進行加載,同時考慮輪胎充氣壓力250kpa。在輪轂的5個安裝螺栓處施加全約束。
 
計算結果及分析
 
(1)彎曲工況
在彎曲工況下,方案1和方案2輪轂的最大應力分別為218MPa和339MPa,其屈服安全系數分別為2.65和1.70,兩種設計方案都能滿足彎曲工況下靜強度要求,具體可參見圖6和圖7所示。
 
 
圖6:方案1輪轂的彎曲工況下應力云圖,來源安世亞太
 
 
圖7:方案2輪轂的彎曲工況下應力云圖,來源安世亞太
 
(2)徑向工況
在徑向工況下,方案1和方案2輪轂的最大應力分別為155MPa和112MPa,其屈服安全系數分別為3.72和5.15,兩種設計方案都能滿足徑向工況下靜強度要求,具體可參見圖8和圖9所示。
 
 
圖8:方案1輪轂的徑向工況下應力云圖,來源安世亞太
 
 
圖9:方案2輪轂的徑向工況下應力云圖,來源安世亞太
 
通過CAE仿真分析手段,能夠快速獲得設計人員提供的創成式輪轂不同方案在不同工況下的應力情況和屈服安全系數,了解不同方案的優缺點,對方案的選型和后期的制造都有很大的指導意義。
—作者—
李新路
車輛工程專業,碩士學位,10多年的汽車行業CAE仿真分析經驗,參與并實施了多個國內汽車整車及零部件的仿真分析咨詢項目,積累了大量的工程仿真分析項目經驗,專長汽車行業內結構CAE分析、整車碰撞分析、乘員約束系統分析、NVH分析以及新能源汽車電池包CAE分析等;同時目前主要參與了多個增材設備結構仿真分析項目。
 
【本文僅代表作者看法,如有不同觀點,歡迎添加三迪時空微信公眾號(微信號:sandishikong)進行討論交流?!?/span>
 

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