項目介紹

    Billy Wight在2006年從加州大學(xué)圣迭戈分校畢業(yè)并獲得機械工程學(xué)位之后，成功創(chuàng)建了Luxon Engineering產(chǎn)品研發(fā)公司。該公司憑借專業(yè)的工程技術(shù)團隊，專注于航空、汽車、能源、醫(yī)療等多個行業(yè)的機械設(shè)計和優(yōu)化問題，強調(diào)采用計算機輔助工程分析（CAE）工具驅(qū)動設(shè)計流程。他們通過HyperWorks CAE工具對產(chǎn)品進(jìn)行仿真分析，幫助客戶縮短產(chǎn)品研發(fā)周期并降低生產(chǎn)成本。

    “我們的主要優(yōu)勢之一是通過仿真分析優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計，”Wight說，“通過在生產(chǎn)物理樣機前對設(shè)計方案進(jìn)行反復(fù)迭代分析的方法，已經(jīng)為我們的客戶節(jié)省了大量的時間和成本。我們幾乎在設(shè)計流程中的各個方面使用仿真技術(shù)來推動設(shè)計方案的進(jìn)一步完善。我第一次接觸HyperWorks是在大學(xué)期間，如今它已是優(yōu)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(zhàn)

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

圖1 隨機響應(yīng)研究驅(qū)動設(shè)計變更，幫助消除船舶航行時的損壞

圖2 研發(fā)初期通過系統(tǒng)級的拓?fù)鋬?yōu)化分析尋找結(jié)構(gòu)中的主要傳力路徑

解決方案

    Luxon利用仿真分析和優(yōu)化技術(shù)重新設(shè)計了該產(chǎn)品，不但滿足了新的設(shè)計要求，而且在性能提升的同時降低了產(chǎn)品重量和制造成本。新設(shè)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(wù)中所有的有限元模型。”Wight說，“使用HyperWorks結(jié)構(gòu)優(yōu)化工具OptiStruct對電池板系統(tǒng)進(jìn)行線性和非線性仿真，以評估該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完整性”。另外，Luxon還應(yīng)用了OptiStruct的拓?fù)�、形貌及尺�?形狀優(yōu)化功能。“我們希望在不降低系統(tǒng)強度的前提下盡可能減少材料使用，以降低生產(chǎn)成本。”Wight解釋道，“與此同時，我們也希望盡可能地增加結(jié)構(gòu)的剛度性能。”

    該產(chǎn)品由多組鏡頭構(gòu)成，這些鏡頭的焦點分布在較大區(qū)域的光電池上。如果電池與鏡頭間的焦距發(fā)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(chǎn)品的投入產(chǎn)出比。

    我們使用OptiStruct優(yōu)化電池板和驅(qū)動機構(gòu)，驅(qū)動機構(gòu)用于支撐整個系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)在X軸和Y軸旋轉(zhuǎn)以跟隨太陽運動。”Wight說，“我們知道驅(qū)動機構(gòu)的關(guān)鍵位置，但是不確定機構(gòu)中最佳的傳力路徑。為此，我們使用OptiStruct的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)尋找最佳的材料分布位置并進(jìn)行深入的結(jié)構(gòu)分析。”

圖3 曲柄臂結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化流程

結(jié)論

    Luxon應(yīng)用HyperWorks出色地完成了設(shè)計目標(biāo)，降低了產(chǎn)品制造成本并顯著提高仿真效率。例如，經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化分析，Luxon提高了驅(qū)動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能并且降低了8%的制造成本。新設(shè)計方案滿足了風(fēng)載、雪載及地震載荷必須的結(jié)構(gòu)要求。使用OptiStruct的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，Luxon重新設(shè)計了曲柄臂結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由鑄鐵組件取代了鋼焊接件，降低了38%的制造成本并實現(xiàn)了52%的結(jié)構(gòu)減重。

    “我們能夠大大降低產(chǎn)品的制造成本并且提高產(chǎn)品的穩(wěn)健性。因此，該產(chǎn)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(chǎn)品需求時起到了關(guān)鍵作用。優(yōu)化過程往往不直觀。在傳統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計流程中，工程師設(shè)計一種結(jié)構(gòu)，進(jìn)行仿真分析并根據(jù)經(jīng)驗反復(fù)修改，直至達(dá)到直覺上的“優(yōu)化”。這一過程很少能夠獲得類似于OptiStruct自動產(chǎn)生的、不基于經(jīng)驗的結(jié)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(chǎn)品研發(fā)過程中盡可能使用HyperWorks。

    另外，Wight表示，他正在深入應(yīng)用HyperWorks。”我一直在尋找和使用這些工具的新功能。”他說，“當(dāng)前，我們需要分析像太陽能電池板之類的大規(guī)模產(chǎn)品。在進(jìn)行太陽能電池板（約860萬網(wǎng)格）模態(tài)頻率分析時，OptiStruct自動多級子結(jié)構(gòu)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(jié)果僅有0.003%的偏差。”

    Wight是HyperWorks軟件、許可管理模式及持續(xù)開發(fā)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(fā)他們的產(chǎn)品，”他說，“他們不斷發(fā)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(qū)動設(shè)計的最前沿，且Luxon的客戶也因此獲得競爭優(yōu)勢。

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本文標(biāo)題：提升機械性能、降低生產(chǎn)成本

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