设计轻巧

生成式设计可以帮助工程师满足新的轻量化要求。

生成式设计可以帮助工程师满足新的轻量化要求。

由巴塞罗那工业工程学院(ETSEIB)和巴塞罗那电信工程学院(ETSETB)的学生组成的车辆。 ETSEIB赛车队专注于设计和制造两辆车,用于与世界各地的其他车队一起参加Formula Student锦标赛。他们的两辆车都是100%电动的,一辆由飞行员驾驶,另一辆无人驾驶。图片由ETSEIB提供。


哈雷戴维森 LiveWire电动摩托车的设计旨在将其能源容量提高90%,同时相对于车辆质量(kWh / kg)将该容量提高60%。同时,它在两个主要方向上的底盘刚度分别提高了143%和97%。它的滚动底盘质量减少了2.3千克。

It’通过设计更轻。而且,当其更换引擎时,它可以提供足够的滚动功率,消耗最少的能量,并向全世界提供相对绿色的足迹。 

今天’s的设计要求很高,要求采用轻巧的设计以增强有助于提高效率和速度并实现诸如电之类的特性。为了满足轻量化材料等设计目标,正在全力采用生成设计。较轻的材料在设计性能和功能方面提供了更多的功能。机器和零件的复杂性通过设计变得越来越轻。 

为了达到范围,加速度和操控性的目标,Harley-Davidson LiveWire电动摩托车的能量容量提高了90%,而能量容量与车辆质量的比率(kWh / kg)增加了60%。在两个主要关注方向上,底盘刚度增加了143%和97%,滚动底盘质量减少了2.3 kg。 图片由Harley Davidson提供。

“汽车和航空业的设计工程师更喜欢采用轻量化来提高燃油经济性(重量越轻,操作所需的能源越少),同时又能提高产品性能,”首席技术官James Dagg说 牵牛星

“通过利用拓扑优化的仿真驱动设计软件,制造商可以围绕设计探索做出及时的决策,从而在改善产品开发,减轻重量和降低性能的同时,确保安全,”Dagg添加。在产品开发过程中预先应用仿真可以使设计团队通过在过程中早些时候集成一个重量轻的设计来达到性能目标,而不是在以后进行大量生产。”

安全高效

达格说,他们使用专有的优化解决方案Altair OptiStruct。它为设计结构和生成可承受所有实际条件和载荷的概念设计提供了最佳的起点,以确保获得安全且结构有效的结果。 

“类似于人的骨骼自然形成的方式(在需要的地方有些粗壮,在其他地方的重量轻而有弹性)一样,我们的软件可以以半导体速度应用于无数种材料和结构,直到工程师无需任何花费就能满足设计要求多余的材料” he explains. 

新的生成设计软件工具使制造商能够在不牺牲耐用性,安全性和性能的情况下减轻部件的重量。例如,Sierra Turbines使用VELO3D的增材制造技术来设计和制造可实现多种功能的组件。这导致减少了总零件数,同时消除了传统上分开的零件之间的接口。

“所有内部润滑和燃料回路都集成到我们独特的单件式核心发动机中,”罗杰·斯通(Roger Stone)解释说 塞拉涡轮机. “这样,避免了潜在的故障点和泄漏源,从而提高了安全性和发动机效率,同时实现了高性能,轻便的设计。”

Dagg解释说,提高效率是减轻重量的主要好处之一。他指出,在汽车工业中尤其如此,汽车制造商需要采用多管齐下的方法来实现许多标准:燃油效率,更轻的结构和空气动力性能。 

“轻量级汽车结构与高效发动机甚至全电动动力总成配合使用(还可从轻量化中受益)将在实现气候目标中发挥关键作用” he predicts. “较轻的汽车需要较少的电池电量来加速和维持速度,从而使单次充电进一步进行。”

随着电力推进在运输设计中变得更加主流,这将变得更加重要。“OEM厂商开始为主流客户生产电池电动汽车(BEV)来解决续驶里程,传动系统效率和充电时间等问题,因此设计成为开发过程中至关重要的组成部分,” adds Dagg. “这就需要快速探索更高的系统电压,创新的冷却方式以及正在进行的减少车辆重量的竞赛。”

达格说,轻量化不仅减少了燃料消耗,而且减少了这些车辆的碳足迹。他指出每220磅碳排放量减少3%至5%。重量下降。他说,轻量化的好处不仅是经济的,“而且环保。”

在生成式设计中,诸如先进工程软件之类的创新技术工具可以为生产轻便的移动设计带来福音。随着自动驾驶和电动汽车的出现,尤其如此。 

这种设计需要更轻的重量才能达到其性能指标。 这些设计要求材料和形状的不同排列, 尺寸正确,适合并适合结构和组件。 目标是使用新型和较轻的材料(例如较轻和复合的材料)智能地设计它们,从而减轻重量,但又不牺牲性能和强度。  

同样的好处也适用于汽车设计师'设计更轻的车辆面临着持续的挑战,从而实现更具挑战性和更高的每加仑行驶里程的目标和要求。  

MSC软件,例如,结合Hexagon Manufacturing Intelligence, 在不影响性能的前提下,已经成功地实现了这种设计。通过利用其软件的功能来设计零件和结构元件,车辆能够在零件内添加新材料,例如高强度钢,碳纤维,镁和更多塑料。该软件优化了材料的使用,因此可以减少钢材用量,并可以使用更多替代材料。  

使用此类工程软件工具的最终结果是,在达到车辆的MPG目标的同时,可以满足关键的性能因素,例如噪音和振动,驾驶操纵,碰撞保护,耐用性和疲劳性以及车辆动态特性。  

汽车轻量化创新 

由Toyota Motor North America Research开发的2021年丰田Sienna树脂第三排座椅靠背板的CAD渲染&由供应商合作伙伴巴斯夫开发,由Flex-N-Gate制造。设计和材料达到了轻量化。 图片由丰田提供。

达格引用Altair’的“启发奖”(Enlighten Awards),公司竞争专门解决汽车行业的目标,以减轻汽车重量并达到排放目标。多项创新设计获得了奖项认可:

  • 哈雷戴维森汽车公司(Harley-Davidson Motor Company)通过电气化将上述LiveWire电动摩托车的能量容量提高了90%,同时将能量容量与车辆质量的比率提高了60%。除了进一步的改进外,该计划还为未来的摩托车计划建立了质量和刚度设计与优化实践。
  • For its new Sentra 2020 platform, 日产 dramatically improved safety and dynamic performance without increasing weight by using simulation to place the right materials in the right locations.
  • 丰田公司为2021年的西耶娜(Sienna)创建了一个独立的,两个乘客的注塑成型后架,没有模制增强件。它通过一次注射将15个组件合并为一个部件,从而使成本降低了15%,质量降低了30%,安全性能提高了两倍。这是行业第一。
  • 采埃孚(ZF)创造了首个上市的电动驻车制动器(EPB),其中有超过7500万辆装有EPB的车辆用于世界道路。与传统的鼓式帽子驻车制动器相比,重型EPB为大型卡车和SUV减轻了25磅或更多的重量。
  • 马雷利开发了一种新的高级薄板压缩成型悬架转向节,与吉普指南针上使用的铝制版本相比,可确保质量节省25%,与铸铁版相比可节省50%。
  • 日产’采用拓扑设计的终极轻质铝/碳纤维增强聚合物(CFRP)车身侧板通过使用铝和短纤维碳纤维增强热塑性塑料(CFRTP)的多材料结构减轻了重量。与传统的钢制车身侧板相比,它可以减少大约50%的重量。

马雷利’新型先进的片材压缩成型悬架转向节具有25% 与Jeep指南针上使用的铝制版本相比,节省了重量,与铸铁版本相比节省了50%。 Image courtesy of 马雷利.

航空航天的轻量化

轻巧的设计已成为寻找减轻重量和将轻量化消除为直接收益的方法的首要任务。较轻的重量来自较少的材料。这不仅转化为性能,而且还转化为材料成本以及燃料节省。这不仅适用于汽车行业,而且适用于航空航天行业。 

“对于航空航天应用,每减轻一盎司的重量即可直接节省成本,并提高性能,” says Stone. “从价值链的低端看,如果在制造和组装过程中使用的材料更少且所需步骤更少,那么这相当于Sierra Turbines的可持续发展和利润更高的商业模式。  

“我们正在申请专利的360°燃油喷射系统,在燃烧室的整个圆周上均匀地输送雾化的燃油,可在各种运行条件下实现前所未有的燃烧效率,” Stone adds. “在这里,一个轻巧的零件可为每单位燃料提取更多的动力,取代了传统上由61个独立零件的较重组件制成的动力。”

例如,根据《快速公司》(Fast Company)的一篇文章,空中客车公司(Airbus)使用生成设计为其机舱开发3D打印隔板。 

文章引用为“重量减轻45%,但强度却提高8%’至今使用。但是公司正在进一步推进。它’现在使用生成设计工具从垂直稳定器(那个高鳍’(现在比以前轻了20%),座椅的腿部,机舱的内部布局以及工厂的建造方式,以实现最佳生产和成本效益。”

融合AM和生成设计

增材制造和3D打印为轻量化提供了新的有利可图的渠道。将此与拓扑优化结合起来,有许多途径可以简化设计并改善整体产品。 

“越来越多的制造商正在使用拓扑优化来减少零件的体积,使它们更轻便,同时保持甚至提高性能,”的工程经理Toni Aranzana说 BCN3D,是西班牙的3D打印机和制造商。 BCN3D生产使用熔丝制造(FFF)技术的台式和工作台3D打印机。  

“这些类型的设计呈现出有机形状,这些形状不仅是操作的最佳选择,而且在视觉上更具吸引力和创新性。增材制造为这种类型的设计带来很多价值,因为使用其他制造方法通常无法实现这些几何形状。还必须出现由碳纤维或玻璃纤维构成的新材料(如FFF),密度极低的最终用途部件的热塑性材料(在多种情况下可以代替金属部件(从而减轻重量和降低制造成本))的外观。被考虑在内。”

轻型弹药?

轻量化设计在许多不同的行业和应用中都受到欢迎,不仅在汽车和航空航天领域,而且在建筑和国防等行业中也是如此。 

最近,美国陆军,美国海军陆战队和英国国防军齐心协力,共同设计更轻的弹药。人们越来越担心士兵在进行作战时会背负太多的重物。 

关于我们期望士兵和战士携带多少重量的争论已经酝酿了一段时间。它激发了许多材料开发人员的设计精神,即优先减轻他们携带的弹药的负担。各个服务部门的开发社区认真研究了战士携带的每件设备,以减少盎司或磅。

美国陆军和美国海军陆战队成立了联合轻型弹药综合产品小组,以同步这些努力,目标是将弹药重量减少至少10%。这种方法将确保开发过程中的协作,从而为未来的战士提供更好,更快,更便宜的解决方案。

轻型弹药联合产品联合部队研究跨作战服务计划的实践和投资,以实现轻型弹药目标。该小组的任务是在战斗要求,材料开发人员解决方案和轻型弹药的联合鉴定方面进行合作,使用可达到或超过当前黄铜制弹药在标准服务武器中的性能的替代箱体材料。

保持敏捷和光明 

轻型弹药是另一个例子,它增加了汽车,航空航天和其他行业的设计人员的工作量,以提高性能并实现更大的整体敏捷性。 

Luis Rodriquez是一名应用工程师 Ultimaker。他还指出拓扑优化和生成设计对制造更多用途的轻型产品的影响。 

“这种基于分析的设计方法根据施加到给定方法上的载荷来找到最优化的区域来放置材料,” says Rodriquez. “使用计算机程序来执行此操作。得益于能够生产这些形状的制造方法的进步,尤其是在最近的5年中,它得到了普及。”

塞拉涡轮机的Roger Stone说,他的公司积极合作,使用拓扑结构保持敏捷性,而又不牺牲数据或产品完整性。像哈雷戴维森(Harley-Davidson)电子LiveWire设计一样,工程师们正在将生成设计工具与增材制造等其他技术结合使用,以开拓创新,设计出更好,更高效,轻便的产品。 

“在设计添加剂时,不要害怕使用新的设计工具并放弃已建立的规范,” advises Stone. “例如,为什么要使用STL文件进行设计,而原生CAD文件却可以无限地更好地使用?诸如nTopology之类的工具使您可以非常高效地管理图层(切片),并允许我们生成文件大小更小的复杂几何文件。这简化了与我们合作伙伴的合作,使Sierra Turbines保持敏捷。”

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吉姆·罗密欧

吉姆·罗密欧是弗吉尼亚州切萨皮克的自由作家。发送有关此文章的电子邮件至 [电子邮件 protected].

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