CAE在自行車制造材料選擇中的優(yōu)化分析與應用

 項目介紹

 近些年，一些讓人感興趣的3D打印技術或者增材制造技術的案例被引入到自行車制造行業(yè)。但是直到今天，這種制造技術直接投放到產(chǎn)品市場仍舊受限，而以技術展示居多。增材制造技術對于自行車制造商而言是一項令人興奮的技術，因為它具備更好的客戶化設計潛能。自行車的設計需要充分利用工程仿真CAE技術，這就需要廣泛的工程和專業(yè)的設計技術要求，這是一個挑戰(zhàn)。

 RobotBike公司（RBC）確信將增材制造技術和碳纖維材料結合在一起是很有潛力的。用他們的話說，“讓創(chuàng)建最好的自行車結構成為了可能”。

 RBC希望采用增材制造技術去定制生產(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、身高和騎車風格來量身定做，并且在時間成本和制造成本上都要達到可接受的程度。

 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，以便它能將重心轉移到可行的商業(yè)領域上。

 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做工業(yè)設計的專家；Renishaw是增材制造機器領先的開發(fā)商；而AltairProductDesign團隊確保自行車的設計充分利用了增材制造在設計優(yōu)化技術上的靈活性。

 重量是自行車制造商必須重視的一個問題在設計一輛自行車的時候，減少重量后不能對結構的強度產(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計的難點，卻也是自行車手購買時所關心的重點。

解決方案

 為了得到一個可定制、輕質量、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)上的應用非常廣泛。

 碳纖維管，如同自行車的其他部件結構一樣，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。所有的這些設計同時也需要滿足增材制造的要求。

 在增材制造設計中，AltairProductDesign團隊的主要任務是給出一個最高效利用材料的方案，方案中所需的設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。

該團隊然后將新的幾何導入HyperWorks軟件，采用HyperMesh來創(chuàng)建構件的詳細模型，再用OptiStruct來進行更細化的材料厚度設計。通過這個流程，即可得到增材制造流程設計的新方案，其中包括了理想的打印角度和支撐結構的安置方法，以避免加工過程中對構件造成破壞。

 為了設計出重量利用最高效的零件，Altair產(chǎn)品設計尋找簡化結構框架的設計以便能夠降低產(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，該團隊增材制造設計模型，重新對單個零件的連接柄進行優(yōu)化設計，優(yōu)化質量、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軟件中進行詳細的分析。最后，AltairProductDesign團隊同HiETA公司進行了技術的傳遞，確保該公司在未來的產(chǎn)品設計環(huán)節(jié)中能夠直接利用Altair的仿真技術。

 結論

 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)點的質量優(yōu)化設計。

這個由solidThinkingInspire驅動、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)化的外觀設計方案。結構重量減輕了，同時零件的數(shù)量也減少了，這大大降低了加工的復雜性和成本。

 AltairProductDesign團隊的參與對輕量化、強結構的設計做出了重要的貢獻，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。

 深圳市有限元科技有限公司是Altair公司在中國的一級代理商，代理Altair公司的多款CAE軟件，并代理多個國外著名CAE軟件，有限元科技是以工程仿真軟件開發(fā)為核心，集CAE咨詢、CAE培訓、CAE軟件研發(fā)與銷售為一體的高科技企業(yè)。如有業(yè)務的需要請聯(lián)系電話：13632683051，咨詢QQ：4006046636。

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