HyperWorks在太陽能電池板系統設計中的應用

2016-10-05 by:CAE仿真在線來源:互聯網

項目介紹

BillyWight在2006年從加州大學圣迭戈分校畢業并獲得機械工程學位之后,成功創建了Luxon Engineering產品研發公司。該公司憑借專業的工程技術團隊,專注于航空、汽車、能源、醫療等多個行業的機械設計和優化問題,強調采用計算機輔助工程分析(CAE)工具驅動設計流程。他們通過HyperWorks CAE工具對產品進行仿真分析,幫助客戶縮短產品研發周期并降低生產成本。

“我們的主要優勢之一是通過仿真分析優化產品設計,”Wight說,“通過在生產物理樣機前對設計方案進行反復迭代分析的方法,已經為我們的客戶節省了大量的時間和成本。我們幾乎在設計流程中的各個方面使用仿真技術來推動設計方案的進一步完善。我第一次接觸HyperWorks是在大學期間,如今它已是優化及其它仿真分析的重要手段,并且成為我們主要的仿真工具。”

挑戰

在Luxon與一家大型工業用太陽能電池板主要制造商的合作項目(開發尺寸約為50*70英寸、可跟隨太陽轉動的電池板)中,HyperWorks表現出極佳的性能。該公司希望降低正在量產的一款產品的制造成本以及擴大該產品的使用范圍。因此,他們要求Luxon為其研發一種更加穩健的支撐結構以確保該產品能夠承受世界范圍內的地震、風載和雪載。

隨機響應研究驅動設計變更,幫助消除船舶航行時的損壞

研發初期通過系統級的拓撲優化分析尋找結構中的主要傳力路徑

解決方案

Luxon利用仿真分析和優化技術重新設計了該產品,不但滿足了新的設計要求,而且在性能提升的同時降低了產品重量和制造成本。新設計方案用到了Altair HyperWorks中的多個模塊。“我們采用HyperMesh建立分析任務中所有的有限元模型。”Wight說,“使用HyperWorks結構優化工具OptiStruct對電池板系統進行線性和非線性仿真,以評估該系統結構的完整性”。另外,Luxon還應用了OptiStruct的拓撲、形貌及尺寸/形狀優化功能。“我們希望在不降低系統強度的前提下盡可能減少材料使用,以降低生產成本。”Wight解釋道,“與此同時,我們也希望盡可能地增加結構的剛度性能。”

該產品由多組鏡頭構成,這些鏡頭的焦點分布在較大區域的光電池上。如果電池與鏡頭間的焦距發生改變,電池板的工作效能將下降。因此,Luxon的主要工作是增強支撐電池的面板剛度,最大限度地提高產品的投入產出比。

我們使用OptiStruct優化電池板和驅動機構,驅動機構用于支撐整個系統和驅動系統在X軸和Y軸旋轉以跟隨太陽運動。”Wight說,“我們知道驅動機構的關鍵位置,但是不確定機構中最佳的傳力路徑。為此,我們使用OptiStruct的拓撲優化技術尋找最佳的材料分布位置并進行深入的結構分析。”

設計空間

拓撲優化結果

分析結果

最終優化方案

結論

Luxon應用HyperWorks出色地完成了設計目標,降低了產品制造成本并顯著提高仿真效率。例如,經過拓撲優化分析,Luxon提高了驅動機構的結構性能并且降低了8%的制造成本。新設計方案滿足了風載、雪載及地震載荷必須的結構要求。使用OptiStruct的拓撲優化技術,Luxon重新設計了曲柄臂結構,該結構由鑄鐵組件取代了鋼焊接件,降低了38%的制造成本并實現了52%的結構減重。

“我們能夠大大降低產品的制造成本并且提高產品的穩健性。因此,該產品可以在地球上任何地方使用。”Wight說。

他說,HyperWorks在滿足客戶低成本、高強度的產品需求時起到了關鍵作用。優化過程往往不直觀。在傳統的優化設計流程中,工程師設計一種結構,進行仿真分析并根據經驗反復修改,直至達到直覺上的“優化”。這一過程很少能夠獲得類似于OptiStruct自動產生的、不基于經驗的結果。這將大大減少分析時間及精力。

Wight指出,項目期間,HyperWorks強大的功能給他們的客戶留下了深刻的印象。因此,Luxon在產品研發過程中盡可能使用HyperWorks。

另外,Wight表示,他正在深入應用HyperWorks。”我一直在尋找和使用這些工具的新功能。”他說,“當前,我們需要分析像太陽能電池板之類的大規模產品。在進行太陽能電池板(約860萬網格)模態頻率分析時,OptiStruct自動多級子結構特征值求解方法(AMSES)的計算效率比Lanczos方法快2.5倍,而計算結果僅有0.003%的偏差。”

Wight是HyperWorks軟件、許可管理模式及持續開發的新功能的忠實用戶。“與Altair合作過程中,最令人興奮的是該公司一直在努力開發他們的產品,”他說,“他們不斷發布新的解決方案(例如集成在HyperWorks中的AcuSolve)并且允許我們在同一時間使用這些方案。另外,Altair許可管理模式對我們也非常有利,因為我們需要在同一時間使用所有的功能。通過HyperWorks一體化的軟件包,我們不必單獨購買許可證。”

借助于HyperWorks,Luxon Engineering正走在仿真驅動設計的最前沿,且Luxon的客戶也因此獲得競爭優勢。

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