增材專(zhuān)欄 l 兩種設(shè)計(jì)、不同的性能，通過(guò)仿真分析直觀獲取創(chuàng)成式建模的結(jié)果比較【轉(zhuǎn)發(fā)】

2019-04-25  by:CAE仿真在線(xiàn)  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

創(chuàng)成式設(shè)計(jì)(Generative Design)是一種參數(shù)化建模方式,在設(shè)計(jì)的過(guò)程中,當(dāng)設(shè)計(jì)師輸入產(chǎn)品參數(shù)之后,算法將自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整判斷,直到獲得最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。創(chuàng)成式設(shè)計(jì)可以幫助設(shè)計(jì)師優(yōu)化零件強(qiáng)度重量比,可以模仿自然結(jié)構(gòu)發(fā)展的方式,創(chuàng)造出最強(qiáng)大的結(jié)構(gòu),同時(shí)最大限度地減少材料的使用。

圖:創(chuàng)成式設(shè)計(jì)

在3D打印領(lǐng)域,最為經(jīng)典的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)作品是A320飛機(jī)開(kāi)發(fā)的一個(gè)大尺寸的“仿生力學(xué)”的機(jī)艙隔離結(jié)構(gòu)件?？紤]到每家飛機(jī)的服役情況,這將累計(jì)帶來(lái)高達(dá)96000噸的二氧化碳排放量的減少。這一案例顯示了創(chuàng)成式與3D打印制造技術(shù)結(jié)合起來(lái)所釋放的潛力前景:更輕、更強(qiáng)、能源消耗更少的下一代產(chǎn)品時(shí)代正在到來(lái)。

圖:A320機(jī)艙隔離結(jié)構(gòu)件

而為了給電動(dòng)汽車(chē)減重,通用汽車(chē)正在采用創(chuàng)成式設(shè)計(jì)軟件對(duì)車(chē)內(nèi)零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),通過(guò)座椅支架的減重揭示了3D打印對(duì)于零件潛在質(zhì)量和強(qiáng)度改進(jìn)的潛力。

圖:通用汽車(chē)的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)座椅支架

當(dāng)然,創(chuàng)成式軟件所設(shè)計(jì)出來(lái)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(shè)計(jì),這時(shí)候仿真就發(fā)揮了無(wú)需真正制造出來(lái)而對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)比較的便利性。

圖1 :2019年TCT展會(huì)上展出的創(chuàng)成式輪轂樣品,來(lái)源安世亞太

2019年2月21日-23日在上海新國(guó)際博覽中心舉辦的2019TCT展會(huì)上,安世亞太攜手杭州德迪和重慶安德瑞源展出了兩款創(chuàng)成式輪轂的3D打印產(chǎn)品,吸引了汽車(chē)行業(yè)的很大興趣。

那么接下來(lái)通過(guò)CAE仿真分析來(lái)揭示輪轂的結(jié)構(gòu)受力狀況,從而直觀的領(lǐng)略創(chuàng)成式軟件所設(shè)計(jì)的兩種不同方案的輪轂的不同之處。

帶蜂窩設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)與不帶蜂窩設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)

創(chuàng)成式輪轂方案1的結(jié)構(gòu)是蜂窩狀的結(jié)構(gòu),且每個(gè)輪輻都呈現(xiàn)出樹(shù)狀的設(shè)計(jì)思路。

圖2:創(chuàng)成式輪轂方案1的結(jié)構(gòu)及剖面圖和局部細(xì)節(jié)圖,來(lái)源安世亞太

而創(chuàng)成式輪轂方案2的結(jié)構(gòu)是另外一種設(shè)計(jì)思路,沒(méi)有蜂窩狀的結(jié)構(gòu)。這兩種方案的受力狀態(tài)如何,孰優(yōu)孰劣讓我們通過(guò)對(duì)其CAE仿真分析進(jìn)行驗(yàn)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(jìn)行網(wǎng)格劃分,同時(shí)為了體現(xiàn)輪轂的局部特征,在圓角等特征處對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理,見(jiàn)圖4和圖5所示。方案1和方案2的單元數(shù)分別為339萬(wàn)和217萬(wàn),主要是由于方案1的輪轂有許多的蜂窩狀結(jié)構(gòu),單元在蜂窩狀處比較密集。本次材料選用了304L stainless steel進(jìn)行分析,其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為577MPa和579MPa,其參數(shù)來(lái)自于增材制造材料庫(kù)。

圖4:創(chuàng)成式輪轂方案1的網(wǎng)格模型及局部網(wǎng)格細(xì)節(jié),來(lái)源安世亞太

圖5:創(chuàng)成式輪轂方案2的網(wǎng)格模型及局部網(wǎng)格細(xì)節(jié),來(lái)源安世亞太

分析依據(jù):GB/T 5334-2005 乘用車(chē)車(chē)輪性能要求及試驗(yàn)方法,采用線(xiàn)性靜強(qiáng)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(chē)輪的最大負(fù)荷為600kg進(jìn)行計(jì)算,施加的彎矩為2062Nm,力臂為0.6m,加載力為3437N。在輪輞的內(nèi)側(cè)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(jìn)行加載,同時(shí)考慮輪胎充氣壓力250kpa。在輪轂的5個(gè)安裝螺栓處施加全約束。

計(jì)算結(jié)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(yīng)力分別為218MPa和339MPa,其屈服安全系數(shù)分別為2.65和1.70,兩種設(shè)計(jì)方案都能滿(mǎn)足彎曲工況下靜強(qiáng)度要求,具體可參見(jiàn)圖6和圖7所示。

圖6:方案1輪轂的彎曲工況下應(yīng)力云圖,來(lái)源安世亞太

圖7:方案2輪轂的彎曲工況下應(yīng)力云圖,來(lái)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(yīng)力分別為155MPa和112MPa,其屈服安全系數(shù)分別為3.72和5.15,兩種設(shè)計(jì)方案都能滿(mǎn)足徑向工況下靜強(qiáng)度要求,具體可參見(jiàn)圖8和圖9所示。

圖8:方案1輪轂的徑向工況下應(yīng)力云圖,來(lái)源安世亞太

圖9:方案2輪轂的徑向工況下應(yīng)力云圖,來(lái)源安世亞太

通過(guò)CAE仿真分析手段,能夠快速獲得設(shè)計(jì)人員提供的創(chuàng)成式輪轂不同方案在不同工況下的應(yīng)力情況和屈服安全系數(shù),了解不同方案的優(yōu)缺點(diǎn),對(duì)方案的選型和后期的制造都有很大的指導(dǎo)意義。

—作者—

李新路車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè),碩士學(xué)位,10多年的汽車(chē)行業(yè)CAE仿真分析經(jīng)驗(yàn),參與并實(shí)施了多個(gè)國(guó)內(nèi)汽車(chē)整車(chē)及零部件的仿真分析咨詢(xún)項(xiàng)目,積累了大量的工程仿真分析項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),專(zhuān)長(zhǎng)汽車(chē)行業(yè)內(nèi)結(jié)構(gòu)CAE分析、整車(chē)碰撞分析、乘員約束系統(tǒng)分析、NVH分析以及新能源汽車(chē)電池包CAE分析等;同時(shí)目前主要參與了多個(gè)增材設(shè)備結(jié)構(gòu)仿真分析項(xiàng)目。

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