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两种设计、不同的性能,通过仿真分析直观获取创成式建模的结果比

时间:2019-04-20 18:54 来源:3D科学谷 作者:中国3D打印网 阅读:
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       创成式设计(Generative Design)是一种参数化建模方式,在设计的过程中,当设计师输入产品参数之后,算法将自动进行调整判断,直到获得最优化的设计。创成式设计可以帮助设计师优化零件强度重量比,可以模仿自然结构发展的方式,创造出最强大的结构,同时最大限度地减少材料的使用。

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图:创成式设计

       在3D打印领域,最为经典的创成式设计作品是A320飞机开发的一个大尺寸的“仿生力学”的机舱隔离结构件。考虑到每家飞机的服役情况,这将累计带来高达96000吨的二氧化碳排放量的减少。这一案例显示了创成式与3D打印制造技术结合起来所释放的潜力前景:更轻、更强、能源消耗更少的下一代产品时代正在到来。

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图:A320机舱隔离结构件

而为了给电动汽车减重,通用汽车正在采用创成式设计软件对车内零部件进行优化设计,通过座椅支架的减重揭示了3D打印对于零件潜在质量和强度改进的潜力。

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图:通用汽车的创成式设计座椅支架

当然,创成式软件所设计出来的零件多种多样,每种零件的性能各不相同,具体选择哪一种设计,这时候仿真就发挥了无需真正制造出来而对设计实现比较的便利性。

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图1 :2019年TCT展会上展出的创成式轮毂样品,来源安世亚太

那么接下来通过CAE仿真分析来揭示轮毂的结构受力状况,从而直观的领略创成式软件所设计的两种不同方案的轮毂的不同之处。

block 带蜂窝设计的结构与不带蜂窝设计的结构

创成式轮毂方案1的结构是蜂窝状的结构,且每个轮辐都呈现出树状的设计思路。

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图2:创成式轮毂方案1的结构及剖面图和局部细节图,来源安世亚太

而创成式轮毂方案2的结构是另外一种设计思路,没有蜂窝状的结构。这两种方案的受力状态如何,孰优孰劣让我们通过对其CAE仿真分析进行验证。

block 轮毂有限元模型建立

      本次分析采用四面体单元以3mm大小进行网格划分,同时为了体现轮毂的局部特征,在圆角等特征处对网格进行了加密处理,见图4和图5所示。方案1和方案2的单元数分别为339万和217万,主要是由于方案1的轮毂有许多的蜂窝状结构,单元在蜂窝状处比较密集。本次材料选用了304L stainless steel进行分析,其屈服强度和抗拉强度分别为577MPa和579MPa,其参数来自于增材制造材料库。

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图4:创成式轮毂方案1的网格模型及局部网格细节,来源安世亚太

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图5:创成式轮毂方案2的网格模型及局部网格细节,来源安世亚太

分析依据:GB/T 5334-2005 乘用车车轮性能要求及试验方法,采用线性静强度仿真分析。

分析工况:弯曲工况和径向工况

弯曲工况:采用车轮的最大负荷为600kg进行计算,施加的弯矩为2062Nm,力臂为0.6m,加载力为3437N。在轮辋的内侧边缘位置施加全约束。

径向工况:径向加载为13230N,在120°按余弦分布进行加载,同时考虑轮胎充气压力250kpa。在轮毂的5个安装螺栓处施加全约束。

block 计算结果及分析

(1)弯曲工况

在弯曲工况下,方案1和方案2轮毂的最大应力分别为218MPa和339MPa,其屈服安全系数分别为2.65和1.70,两种设计方案都能满足弯曲工况下静强度要求,具体可参见图6和图7所示。

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图6:方案1轮毂的弯曲工况下应力云图,来源安世亚太

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图7:方案2轮毂的弯曲工况下应力云图,来源安世亚太

(2)径向工况

在径向工况下,方案1和方案2轮毂的最大应力分别为155MPa和112MPa,其屈服安全系数分别为3.72和5.15,两种设计方案都能满足径向工况下静强度要求,具体可参见图8和图9所示。

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图8:方案1轮毂的径向工况下应力云图,来源安世亚太

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图9:方案2轮毂的径向工况下应力云图,来源安世亚太

通过CAE仿真分析手段,能够快速获得设计人员提供的创成式轮毂不同方案在不同工况下的应力情况和屈服安全系数,了解不同方案的优缺点,对方案的选型和后期的制造都有很大的指导意义。

作者李新路:

    车辆工程专业,硕士学位,10多年的汽车行业CAE仿真分析经验,参与并实施了多个国内汽车整车及零部件的仿真分析咨询项目,积累了大量的工程仿真分析项目经验,专长汽车行业内结构CAE分析、整车碰撞分析、乘员约束系统分析、NVH分析以及新能源汽车电池包CAE分析等;同时目前主要参与了多个增材设备结构仿真分析项目。

(责任编辑:中国3D打印网)

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