利用仿真分析實現(xiàn)新材料的創(chuàng)新設(shè)計

2017-01-05 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

分析和優(yōu)化工具幫助三星工程師在不犧牲性能的條件下降低設(shè)備成本

韓中合資的蘇州三星電子公司開發(fā)和生產(chǎn)主流的家電產(chǎn)品,包括冰箱和洗衣機等。公司通過在不犧牲產(chǎn)品性能的同時減少材料的使用,從而不斷尋求新的途徑來提升競爭力。

家電產(chǎn)品是競爭非常激烈的市場,所以家電設(shè)備制造商在創(chuàng)建新的設(shè)計時特別強調(diào)技術(shù)創(chuàng)新和成本效益。而簡化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和控制生產(chǎn)工藝是成本控制的重要因素,原材料的選擇在降低成本方面起著重要作用。

仿真技術(shù)在三星實現(xiàn)這些目標方面扮演者重要角色,為其商業(yè)產(chǎn)品線挖掘輕量化機會和替代材料的機會。

輕量化實現(xiàn)皮帶輪的優(yōu)化

程福萍,蘇州三星經(jīng)理,解釋道公司為其某一型號的洗衣機優(yōu)化皮帶輪的設(shè)計。皮帶輪在電機和滾筒之間起轉(zhuǎn)乘作用。

傳統(tǒng)的皮帶輪通常為鑄鋁材料,由于生產(chǎn)成本的壓力,像蘇州三星這樣的企業(yè)已經(jīng)開始關(guān)注通過優(yōu)化設(shè)計或使用新材料來減少皮帶輪的重量,其中性能和成本是主要的考慮因素。所以蘇州三星利用拓撲優(yōu)化技術(shù)來滿足相關(guān)設(shè)計和材料的挑戰(zhàn)。

為了實現(xiàn)皮帶輪的優(yōu)化設(shè)計,蘇州三星選擇了OptiStruct,Altair HyperWorks計算機輔助工程工具和現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化求解器的重要部分?！?/span>OptiStruct給我們提供了重要的優(yōu)化功能,比如拓撲、尺寸和形狀優(yōu)化?！背坦ふf,“我們對通過拓撲優(yōu)化來獲得最有效結(jié)構(gòu)或材料布局特別感興趣?！?/span>

蘇州三星的工程師找出最優(yōu)的材料布局或輪輻區(qū)最小的體積,優(yōu)化5輻皮帶輪。

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鑄鋁材料5輻皮帶輪的原始設(shè)計

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Altair OptiStruct拓撲優(yōu)化結(jié)果

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鑄鋁材料4輻皮帶輪的優(yōu)化CAD模型

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優(yōu)化后的鑄鋁材料4輻皮帶輪現(xiàn)在已批量生產(chǎn)

拓撲優(yōu)化之后先創(chuàng)建4輻皮帶輪。形狀優(yōu)化能夠使工程師確定輪輻末端岔開的角度。相對于5輻皮帶輪,重新創(chuàng)建的CAD模型顯示皮帶輪的總體積減少了6%。

現(xiàn)在,鑄鋁材料4輻皮帶輪已經(jīng)得到了大規(guī)模生產(chǎn),三星公司也通過皮帶輪的再設(shè)計獲得了專利。尼龍材料的皮帶輪目前還處于試驗階段。三星公司繼續(xù)使用OptiStruct和HyperWorks CAE套件來挖掘可使用的替代材料,進一步降低皮帶輪的成本,增強性能。

為材料替代設(shè)計

為了保持生產(chǎn)成本的下降,蘇州三星考慮改變冰箱門蓋的的設(shè)計。冰箱門由上門蓋、下門蓋、鋼板、內(nèi)膽以及發(fā)泡料組成。ABS工程塑料通常是通過注塑成型而制成,用在上門蓋和下門蓋上,被安裝在門端,固定門的位置。

為了控制成本,公司試圖用HIPS來替代門蓋的ABS材料進行注塑成型。不幸的是,在物理試驗中,HIPS制成的門蓋在三星的溫度循環(huán)試驗中發(fā)生了開裂。

工程師通過仿真來驗證他們的物理測試結(jié)果,從而找到HIPS門蓋設(shè)計的修改方法,消除開裂現(xiàn)象。

趙守振,CAE工程師,解釋道,在物理可靠性測試過程中,門被放置在變溫室內(nèi),溫度起初先降低到令人不寒而栗的水平,然后提升到高溫狀態(tài),最后再降到冰點。在這個溫度循環(huán)過程中,由HIPS材料制成的冰箱上下門蓋的頂部表面發(fā)生了開裂,裂紋開始于門蓋前邊緣的中間位置。

蘇州三星的工程師開始對材料、結(jié)構(gòu)和注塑成型流程進行分析,找出開裂的原因。他們知道相比ABS,HIPS的強度和韌性要差一些,并且熱膨脹系數(shù)要大,在溫度急劇變化的情況下變形較大。顯而易見,材料的改變是導致開裂的主要因素。

其次,出于美觀的角度,門蓋的邊緣采用了平面倒斜角的形式,導致了外邊緣強度的降低。在注塑成型的過程中,上門蓋采用三點進膠,中間部位存在澆口,下門蓋采用兩點式進膠,中間部位存在熔接線,在澆口和熔接線附近會產(chǎn)生殘余應力,這種殘余應力的存在會加劇門蓋在中間部位開裂的風險。

仿真催生解決方案

為了定性和定量分析門蓋在熱膨脹和收縮狀態(tài)下的應力,工程師使用了HyperMesh,高效的有限元前處理工具和RADIOSS,結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化求解器;兩者都是Altair HyperWorks CAE解決方案中的一部分。工程師利用HyperMesh創(chuàng)建了冰箱門蓋的溫度場的計算機仿真。鋼板和內(nèi)膽采用面網(wǎng)格劃分,發(fā)泡料采用體網(wǎng)格。

因為每個部件的材料參數(shù)是在室溫下測定的數(shù)據(jù),所以模擬分為兩個工況:從室溫到低溫(工況1)和從室溫到高溫(工況2)。

仿真分析指出,在工況1中,門蓋的應力和變形較大,即門蓋開裂是由低溫時的收縮引起的,這與實驗結(jié)果是一致的,最大應力發(fā)生在上下門蓋的前邊緣的中間部位,與實際斷裂部位也是吻合的。

材料由ABS改為HIPS后,安全系數(shù)由2.0降低到1.3,由于HIPS更低的應力限制,最大變形也由2.8mm增加到3.3mm。再加上溫度循環(huán)累計的效應,所以門蓋會發(fā)生開裂。工程師接下去開始評估防止開裂的方法,從增加門蓋頂部表面的厚度和增加縱向和橫向加強筋開始。

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溫度循環(huán)后冰箱門蓋開裂

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工況1(左)溫度循環(huán)后冰箱門蓋開裂和工況2(右)的門體整體變形云圖(HIPS)

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工況1(左)和工況2(右)的上門蓋應力云圖

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上門蓋(上)和下門蓋(下)的原始和改進優(yōu)化對比

“我們提出了兩種改進方案,然后利用HyperMesh分別進行CAE分析,”趙工說,“經(jīng)過分析,延長加強筋的長度和高度的方案將門蓋的安全系數(shù)增加到2.0,和ABS材料的安全系數(shù)一樣?！遍T體整體變形也由3.3mm減小到2.3mm(超過ABS)。

盡管上下門蓋重量分別增加27.6g和17.5g,HIPS的成本還是少于ABS;所以即使重量稍有增加,HIPS還是降低了整體的材料成本。

利用低成本的材料改進強度

利用HyperWorksCAE工具進行有限元分析,蘇州三星快速驗證了門蓋開裂的原因。通過仿真分析,工程師能夠改進門蓋的結(jié)構(gòu)強度,將ABS更換為HIPS材料,實現(xiàn)更低的成本效益的目標。

“利用HyperWorks工具來分析溫度場、提高產(chǎn)品質(zhì)量和成本競爭力,同時增強了研發(fā)目標,這是家電制造商的一個成功案例,”趙工說,“HyperWorks使我們實現(xiàn)了創(chuàng)新,利用新的材料來保持產(chǎn)品競爭力,維護高品質(zhì)的產(chǎn)品聲譽?！?/span>

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