模拟减轻体重

尽早使用结构仿真软件以实现最佳的轻量化。

使用ANSYS Mechanical和ANSYS Composite Prepost软件为复合材料定义的车门面板设计。堆叠和层压布局功能简化了轻量化的设计改进。图片由ANSYS提供。


对于由Siemens Fibersim软件指定的车辆“ B”型立柱设计,对于由Siemens NX 10软件分析的模型,可以确定复合材料每个定义层的重量。图片由Siemens PLM Software提供。 对于由Siemens Fibersim软件指定的车辆“ B”型立柱设计,对于由Siemens NX 10软件分析的模型,可以确定复合材料每个定义层的重量。图片由Siemens PLM Software提供。

P产品竟彩篮球从设计过程开始,但不止于几何形状:材料选择和制造选项是越来越关键的折衷参数。另外,竟彩篮球过程应考虑制造方法(轧制,铸造,压模,层)和可能的子系统组装选项(焊接,铆钉,胶水)。在交付零件或装配体以进行精细的结构分析之前做出明智的决定是产生改进设计的关键。请查看模拟工具中最近和即将进行的这些改进。

自己的工具箱中的更多选项

电脑辅助设计和CAE领域的主要参与者一直在各个方面应对这一更快/更好的挑战。 MSC Software产品开发副总裁Doug Neill说:“我非常关注几何和材料,这两者在当前的工程流程中都面临挑战。那里的技术可以提供帮助,但是还没有人拥有完美的按钮解决方案—including us—这使得轻松,快速地进行轻量化变得非常简单。”

Neill将典型的轻量化方法分为三类:更改几何形状以用更轻的组件替换现有组件;使用3D打印产生更有效的结构;并指定另一种材料,该材料本身可能不会更轻但更坚固,因此所需的材料更少。

MSC Nastran和MSC Nastran桌面结构都支持拓扑竟彩篮球,以探索设计选项。尼尔说,这样的拓扑软件将告诉用户最有效的放置材料的地方,但是他补充说:“这是一个建议,并没有说结果将满足屈曲准则,非线性接触,失效机制甚至有时是静态的。力量。”

另一方面,他解释说:“形状竟彩篮球可以采用更多几何概念,例如参数化CAD,并以有限元表示这些参数的变化并进行形状变化。”尼尔说,第三家提供产品的公司MSC Apex代表了当前的公司理念:几何虽然很棒,但必须使用CAE工具。 MSC Software并未试图将物理问题放入CAD软件包中,而是将几何图形,拓扑竟彩篮球和形状竟彩篮球放入了CAE软件包中。

Neill的最后一个观察结果是,目前,进行拓扑竟彩篮球的人们几乎总是希望用不均匀的各向异性材料来替代金属的均匀各向同性材料,包括通过分层(加法)制造而产生的材料。尽管MSC Digimat软件解决了复合材料模拟的问题,但在一种环境中仍无法找到用于这种类型竟彩篮球的真正解决方案。

西门子PLM软件公司也表达了类似的想法,战略汽车计划副总裁Edward Bernardon认为竟彩篮球不仅是几何学。他举例说明了汽车公司需要减轻车架重量以提高燃油经济性的例子:“包装/造型师说,‘这是我或多或少必须具有的形状(例如,四座)。我要给你每磅X美元,以减轻这辆车的重量。您可以使用钢,复合材料,镁,铝。您可以随意粘贴,铆钉,焊接。’

“因此,” Bernardon解释说,“工程师必须做出的选择是,“我将什么材料放在什么地方,以及什么形状可以实现我想要的刚度?”您需要在高层次和详细层次上获得此信息。

他继续说道:“理想情况下,您希望权衡使用的材料,切割线的位置以及如何将它们连接在一起。” “这可能是CAD系统,它使您可以权衡包装,成本,可制造性以及从分析工具获得的投入(例如强度)。但是您需要用于复合材料,钢,镁铸件等。目前没有软件可以解决此问题 —不是我们的,也不是其他任何人的。这些工具有些存在,但并不是真正在设计人员的指尖。这样的工具可能会在未来五到十年后推出。”

西门子PLM软件确实提供了该工具的一部分,例如用于复合设计的FiberSim和用于设计,仿真和制造的NX CAD / CAE系列。 “我们看到了机会,可以采用传统上属于分析师领域的某些工作流程,并以对设计师而言可使用的格式提供这些工作流程。真正实现这一目标的唯一方法是,如果您在与设计人员相同的环境中工作,” Siemens PLM Software的模拟营销总监Ravi Shankar说。他指出NX具有这种能力:分析师可以创建工作流,使设计人员可以在自己的环境中执行该工作流,或者设计人员可以开始进行一些CAE工作,以获取有关其设计的一些前期反馈。

特别是在汽车和航空航天行业,ANSYS用户也一直在努力减轻部件重量。 “要做两件事:竟彩篮球所有部件的重量,并使用诸如复合材料的不同材料,” ANSYS全球汽车总监Sandeep Sovani说。

ANSYS 使用ANSYS Mechanical和ANSYS Composite Prepost软件为复合材料定义的车门面板设计。堆叠和层压布局功能简化了轻量化的设计改进。图片由ANSYS提供。

为了竟彩篮球组件,Sovani说,分析人员传统上使用FEA(有限元分析)和CFD(计算流体动力学)工具,包括ANSYS Workbench平台内的各个多物理场求解器。 2015年,该公司向Workbench添加了ANSYS集成多物理场(AIM),为所有技能水平的工程师提供了一个仿真环境,其中包括模板,自动化流程和直观的用户界面。

Workbench中的另一个ANSYS竟彩篮球产品是ANSYS Mechanical的Genesis Topology(GTAM),它是与Vanderplaats Research合作开发的垂直定制产品& Development (VR&D)。 “很多零件的设计都过于简单,原因是[否则]创建沿应力线构造的零部件需要非常复杂的几何形状。拓扑竟彩篮球仅支持以下内容:使用GTAM,可以识别要竟彩篮球的区域,并且Genesis在后台运行。该工作流程本可以在没有GTAM功能的情况下完成,但会更加麻烦。” Sovani指出。

范德普拉特研究& Development Optimal topology design of an automobile upper control-arm. The left part shows the initial design. The middle version shows the topology optimization results obtained with GENESIS Topology for ANSYS Mechanical (GTAM) from 范德普拉特研究& Development. The part on right shows the final CAD model cleaned up using ANSYS Space Claim. Image courtesy of 范德普拉特研究& Development.

ANSYS的Composite PrePost软件也支持通过使用复合材料实现轻量化。当考虑不同的复合材料堆叠和方向时,该工具可以分析零件性能。它旨在与ANSYS Mechanical一起使用,但也可以写入其他分析包。

COMSOL应用工程师Walter Frei指出,COMSOL的专家提出了三种竟彩篮球机械设计以减轻重量的方法,可以为所有级别的工程师提供一些帮助。他说:“首先是针对已经使用CAD程序(例如SOLIDWORKS或Inventor)的用户,而我们为其提供了COMSOL LiveLink程序。” “例如,对于纯结构分析,您可以将核心COMSOL Multiphysics软件包与LiveLink产品以及竟彩篮球模块一起使用。然后,您要告诉COMSOL软件,这些是可以更改的SOLIDWORKS等尺寸(例如,多个孔的半径),并将其传递给Optimizer。说,“最小化重量,将压力限制为不超过某个值,或者将特征值保持在某个范围内。”这是最容易做到的。

COMSOL Multiphysics 使用COMSOL Multiphysics及其竟彩篮球模块进行形状竟彩篮球,从而减少了安装支架的重量。上限设置为静态载荷情况下所允许的最大应力,下限设置为第一固有频率。图片由COMSOL提供。

Frei表示:“第二层提升是形状竟彩篮球,但涉及的更多一点。”他指出,您不能总是在零件上打一个孔来减轻重量;识别不同的切口形状(甚至可以通过函数定义)需要具有几何变形功能。他说:“由此,用户必须提前考虑一些事情,为竟彩篮球器提供更多输入,但它给您带来更大的灵活性。”

毫不奇怪,第三个COMSOL选项是拓扑竟彩篮球,用户甚至不从CAD模型开始,而是从特定材料的“块”开始。给定某些约束加上在多个点定义的载荷,COMSOL软件会确定可以从何处去除材料。弗雷(Frei)指出,这是在设计过程的早期就普遍使用的方法,并且功能非常强大。

Frei补充说,您可以绝对竟彩篮球几何形状和材料。他指出:“对于COMSOL,两者之间确实没有区别。通常,材料基于其他约束,例如货币,与轻量化无关。”

在不断发展的DassaultSystèmes(DS)3DEXPERIENCE产品组合中,SIMULIA产品系列的用户可以发现许多竟彩篮球功能,这些竟彩篮球功能可以提前提供给设计人员。多年来,诸如3DEXPERIENCE平台的并购,例如Isight的参数竟彩篮球和Tosca的拓扑竟彩篮球等收购,表明该公司在将模拟活动的价值扩展到传统分析人员小组之外的任务上有多大的收获。

“我们并不是想让每个人都成为仿真专家,也不是每个人都将创建拓扑方法。我们希望以正确的方式提供Abaqus和Tosca技术:设计师能够描述所需的方面—“最小化体重”—分析师会调整结果模型,反之亦然。” SIMULIA Growth高级总监Dale Berry说。

Michael Werner以前在Tosca任职,现在是SIMULIA产品组合技术专家,他解释说,竟彩篮球确实有助于在CAD和CAE社区之间架起一座桥梁。在Tosca软件包中,新功能包括竟彩篮球具有图纸型几何形状的结构;竟彩篮球3D打印内部晶格结构的方法也在研究中。他补充说:“我们正在为设计师和分析师开发有针对性的应用程序,并使Tosca更加接近Abaqus用户群。”

电脑辅助设计前步骤中的竟彩篮球

欧特克 Inventor的2016年第一个订阅更新实现了创建最轻最坚固零件的目标。它采用了一种称为“形状生成器”的新技术,该技术使用形状拓扑竟彩篮球,并且在此过程的早期就这样做了。

为了降低体重,“您可能可以反复尝试很多不同的事情,但这只是‘根据我的经验,在我脑海中所想的’,而且有时您会达到一个足够好的程度—力所能及的,” Autodesk产品管理总监Derrek Cooper说。 “这是Shape Generator的催化剂:除了让模拟人员在孤立的工作流程中进行竟彩篮球之外,我们能否只需两三下单击就可以帮助设计师提出理想的形状?”他称此为概念性竟彩篮球,可加速用户获得可以微调的功能。

欧特克 减轻支架重量的四个阶段:使用Autodesk Inventor中新的Shape Generator功能执行仿真和分析。用户定义零件材料,施加载荷,确定固定点并输入要去除的质量值。图片由Autodesk提供。

要调用此Autodesk Inventor功能,设计人员可以指定材料,最大构建体积(或一般零件形状),已知的接触点以及所有预期的载荷,然后定义一个目标,例如“使质量减少30%”。单击“生成形状”,然后生成一个STL文件,该文件可以直接用于3D打印机,也可以进入CAD程序以进一步竟彩篮球几何形状。 Cooper指出,您可以根据所选材料创建一系列零件。

预先创建结构高效的设计也是Altair的全资子公司solidThinking提供的Inspire软件的主要原理。致力于前期(CAD之前)设计指南,solidThinking的Inspire在最大允许的包装空间内生成一系列材料布局,以处理所需的载荷。 “传统上,分析师会做一个非常详细的分析,然后对设计师说,'我想要几个更改',然后他们来回走动。沟通差距和挫折感很多,所以这正是我们所改变的。” solidThinking的高级应用工程师Jaideep Bangal说。

固体思维 固体思维

固体思维 在制动踏板上进行轻量化:原始设计(上),使用solidThinking Inspire软件对设计的承载路径进行了分析(中),为提高制造效率而对零件进行了最终CAD设计(下)。图片由solidThinking提供。

推动solidThinking思维的哲学是,设计工程师应使用与分析人员相同的技术,使用数学上正确但非常易于使用的求解器来创建结构正确的前期概念。班加尔说:“(在Inspire中,此求解器没有分析师所需要的所有技巧和调整。”但它可以使您达到目标的99%。您不必(与分析师)来回走动,这意味着一个小时左右,您将获得许多可能的概念。”

这些概念模型可能显示出非常有机的外观,因此以原始多边形形式呈现,可以将其引入任何CAD工具中并进行改进以提高可制造性。去年,Inspire添加了分析和拓扑竟彩篮球工具,以支持诸如紧固件,接头和触点之类的组件。 Inspire 2016的新增功能,用户可以执行屈曲分析,定义动态载荷(加速度),将温度值设置为边界条件并指定钣金材料(许多汽车客户的要求)。 Bangal补充说,下一件大事将是评估和建议用于3D打印等替代制造可能性的结构。

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帕梅拉·沃特曼

帕梅拉·沃特曼(Pamela Waterman)担任数字工程’是20年的特约编辑。通过联系她 (必须启用JavaScript才能查看此电子邮件地址)。.

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