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利用仿真分析實現新材料的創(chuàng)新設計

2017-01-05  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

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備成本


韓中合資的蘇州三星電子公司開發(fā)和生產主流的家電產品,包括冰箱和洗衣機等。公司通過在不犧牲產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。

家電產品是競爭非常激烈的市場,所以家電設備制造商在創(chuàng)建新的設計時特別強調技術創(chuàng)新和成本效益。而簡化產品結構和控制生產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。

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


輕量化實現皮帶輪的優(yōu)化

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

傳統的皮帶輪通常為鑄鋁材料,由于生產成本的壓力,像蘇州三星這樣的企業(yè)已經開始關注通過優(yōu)化設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)化技術來滿足相關設計和材料的挑戰(zhàn)。

為了實現皮帶輪的優(yōu)化設計,蘇州三星選擇了OptiStruct,Altair HyperWorks計算機輔助工程工具和現代結構分析與優(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)化來獲得最有效結構或材料布局特別感興趣。”

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。

利用仿真分析實現新材料的創(chuàng)新設計hypermesh應用技術圖片1

鑄鋁材料5輻皮帶輪的原始設計

利用仿真分析實現新材料的創(chuàng)新設計hypermesh應用技術圖片2
Altair OptiStruct拓撲優(yōu)化結果
利用仿真分析實現新材料的創(chuàng)新設計hypermesh應用技術圖片3
鑄鋁材料4輻皮帶輪的優(yōu)化CAD模型
利用仿真分析實現新材料的創(chuàng)新設計hypermesh分析圖片4
優(yōu)化后的鑄鋁材料4輻皮帶輪現在已批量生產


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%。

現在,鑄鋁材料4輻皮帶輪已經得到了大規(guī)模生產,三星公司也通過皮帶輪的再設計獲得了專利。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OptiStructHyperWorks 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。


為材料替代設計

為了保持生產成本的下降,蘇州三星考慮改變冰箱門蓋的的設計。冰箱門由上門蓋、下門蓋、鋼板、內膽以及發(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果,從而找到HIPS門蓋設計的修改方法,消除開裂現象。

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,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、結構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,結構分析和優(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。鋼板和內膽采用面網格劃分,發(fā)泡料采用體網格。

因為每個部件的材料參數是在室溫下測定的數據,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。

利用仿真分析實現新材料的創(chuàng)新設計hypermesh分析圖片5

溫度循環(huán)后冰箱門蓋開裂

利用仿真分析實現新材料的創(chuàng)新設計hypermesh分析圖片6
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)
利用仿真分析實現新材料的創(chuàng)新設計hypermesh分析圖片7
工況1(左)和工況2(右)的上門蓋應力云圖
利用仿真分析實現新材料的創(chuàng)新設計hypermesh學習資料圖片8

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增加到2.0,和ABS材料的安全系數一樣?!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27.6g17.5g,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構強度,將ABS更換為HIPS材料,實現更低的成本效益的目標。

“利用HyperWorks工具來分析溫度場、提高產品質量和成本競爭力,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使我們實現了創(chuàng)新,利用新的材料來保持產品競爭力,維護高品質的產品聲譽。”



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