搜索增材專欄 l 兩種設計、不同的性能，通過仿真分析直觀獲取創(chuàng)成式建模的結果比較【轉發(fā)】
2019-04-25 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
創(chuàng)成式設計(Generative Design)是一種參數(shù)化建模方式,在設計的過程中,當設計師輸入產(chǎn)品參數(shù)之后,算法將自動進行調整判斷,直到獲得最優(yōu)化的設計。創(chuàng)成式設計可以幫助設計師優(yōu)化零件強度重量比,可以模仿自然結構發(fā)展的方式,創(chuàng)造出最強大的結構,同時最大限度地減少材料的使用。
圖:創(chuàng)成式設計
在3D打印領域,最為經(jīng)典的創(chuàng)成式設計作品是A320飛機開發(fā)的一個大尺寸的“仿生力學”的機艙隔離結構件。考慮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(chuàng)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(chǎn)品時代正在到來。
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(chuàng)成式設計軟件對車內零部件進行優(yōu)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。
圖:通用汽車的創(chuàng)成式設計座椅支架
當然,創(chuàng)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(fā)揮了無需真正制造出來而對設計實現(xiàn)比較的便利性。
圖1 :2019年TCT展會上展出的創(chuàng)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(chuàng)成式輪轂的3D打印產(chǎn)品,吸引了汽車行業(yè)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(chuàng)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(chuàng)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(xiàn)出樹狀的設計思路。
圖2:創(chuàng)成式輪轂方案1的結構及剖面圖和局部細節(jié)圖,來源安世亞太
而創(chuàng)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(tài)如何,孰優(yōu)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(wǎng)格劃分,同時為了體現(xiàn)輪轂的局部特征,在圓角等特征處對網(wǎng)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(shù)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(shù)來自于增材制造材料庫。
圖4:創(chuàng)成式輪轂方案1的網(wǎng)格模型及局部網(wǎng)格細節(jié),來源安世亞太
圖5:創(chuàng)成式輪轂方案2的網(wǎng)格模型及局部網(wǎng)格細節(jié),來源安世亞太
分析依據(jù):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(shù)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(shù)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(chuàng)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(shù),了解不同方案的優(yōu)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—
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