行業(yè)：重型機械

    挑戰(zhàn)：增加負載能力 ； 減重 ； 達到預期產(chǎn)品壽命

    Altair 解決方案：利用 HyperWorks 仿真驅(qū) 動設計進行結(jié)構(gòu)分析，通 過 OptiStruct 進行結(jié)構(gòu)優(yōu) 化，并利用后處理工具 HyperView 快速呈現(xiàn)分析 結(jié)果

    優(yōu)點：降低材料成本 ； 提高有效負載性能 ； 提高分析效率

    背景介紹 

    由日立設計并在其安大略省圭爾夫市工廠生產(chǎn)的大型礦用卡車已經(jīng)銷往世界各地，包括中國、哥倫比亞、印度尼西亞等露天開采項目需要重型運輸車的地方。日立公司分支機構(gòu)遍 及全球各地，其研制的機械設備種類繁多，從挖掘機到鏜床均有涉及。大型礦用卡車是其重 型設備產(chǎn)品家族之一。

    “大”這個字并不能充分描繪自卸車這一龐然大物，該車體寬30英尺，能夠運載重達316 噸的有效負載。當車身傾斜卸載時，最大的卡車車身最高點距離地面47英尺。由于體積龐大，只能分塊運輸并在工作現(xiàn)場進行焊接裝配。

    該自卸車裝載時，總重超過100萬磅。對于日立重卡制造（HTM）的設計工程師來說，其設計過程中的挑戰(zhàn)非常明確：降低材料成本，達到ISO標準并獲得客戶滿意的有效負載性能。AltairHyperWorks工程仿真軟件是幫助他們實現(xiàn)這些目標的關鍵工具。   

    挑戰(zhàn) 

    2005年，HyperWorks專家HarryTempelman到日立重卡制造公司任職技術(shù)分析經(jīng)理，便把HyperWorks帶到了日立。他把工作重點集中在使設計方案滿足ISO3471防翻滾保護系統(tǒng)規(guī)范（ROPS）和防落物保護系統(tǒng)規(guī)范（FOPS）的同時，降低駕駛室焊接結(jié)構(gòu)鋼的重量。

    日立生產(chǎn)的大型卡車必須滿足防翻滾保護系統(tǒng)規(guī)范和防落物保護系統(tǒng)規(guī)范。持續(xù)24小時采礦作業(yè)時刻存在發(fā)生意外的可能性，所以駕駛室必須經(jīng)受住各種靜態(tài)、動態(tài)和沖擊載荷的作用以保護駕駛員的人身安全。

    日立工程師通過反復結(jié)構(gòu)設計和有限元分析以驗證是否達到ISO3471規(guī)范來應對這一挑戰(zhàn)。

    Tempelman說：“首先我們建立復雜的結(jié)構(gòu)模型，并將幾何模型直接導入HyperMesh中，在較短時間內(nèi)就完成第一次結(jié)構(gòu)分析。然后使用AltairOptiStruct工具求解多個工況， OptiStruct不但提供鋼材料的實際分布情況而且提供可能的減重方案，HyperWorks提高了我們快速做出決策的能力。然后，利用LS-DYNA進行結(jié)構(gòu)的顯式非線性分析。HyperWorks和LS-DYNA的完美結(jié)合使得我們可以輕松地修改模型，進行下一步分析以及通過反復的 ‘what-if’研究細化方案。”

    通過很短時間內(nèi)的多次設計和驗證，日立重卡制造在計算過程中獲得了一個性能超出 ISO標準的卡車結(jié)構(gòu)。當日立重卡制造進行研發(fā)流程中必須的物理測試時，他們已經(jīng)能夠確 信此結(jié)構(gòu)所有的非線性行為都已通過HyperWorks工具準確預測。     

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        “降低成本的同時還能獲得客戶滿意的性能——HyperWorks是實現(xiàn)兩者平衡的關鍵。現(xiàn)在，日立不再需要花費長達數(shù)周時間進行傳統(tǒng)的有限元分析和樣機開發(fā)。我們使用OptiStruct工具能夠進行幾十組分析所花費的時間是原來的1/10”。

                                                                                                                           HarryTempeman 

                                       日立重卡制造技術(shù)分析經(jīng)理                                                                                                               

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    解決方案

    Tempelman發(fā)現(xiàn)在公司管理層之間分享分析結(jié)果時，用于仿真和測試數(shù)據(jù)的可視化工具Altair HyperView發(fā)揮了重要作用。

    Tempelman說：“HyperView能幫我更好地對一些技術(shù)問題做出具體解釋，比如彈/塑性或流變應力特性等；同時，在向投資決策人演示項目時，HyperView也幫助我快速呈現(xiàn)結(jié)果報告。HyperView能夠從分析軟件中提取仿真結(jié)果，并與不具備相關技術(shù)知識的人員分享。五年前，我們還在為獲得一張可顯示的白色背景JPEG格式圖片而編寫一些宏程序以變換 屏幕背景。現(xiàn)在，HyperView——最好的后處理工具，便可快速實現(xiàn)這一功能。這是一種顯著的進步。”

    日立重卡制造利用AltairMotionView和MotionSolve進行整車多體動力學分析。通過進行系統(tǒng)級到子系統(tǒng)級別，包括前 橋、后橋、車架、駕駛室、發(fā)動機一直到車身的動力學分析，可以獲得使用OptiStruct或LS-DYNA進行詳細有限元分析必需的載荷。

    降低成本是日立聘請Tempelman開展HyperWorks應用的主要原因。他們希望降低卡車的自重以減少鋼材料成本并提高輪胎的有效負載。

    “一切將取決于輪胎，”Tempelman說，“卡車一共有6個輪胎，每個輪胎承受的重量是一定的，所以只有通過減輕發(fā)動機、車身和框架的重量，才可以增加整體有效負載。”在通用汽車的企業(yè)標準（GMW）內(nèi)降低重量成為日立重卡制造工程分析的關鍵。

    “CAE完全驅(qū)動著這些卡車的設計，”Tempelman說，“有些客戶可能會今天低負載運煤，明天超負載運煤。這些負載有著不同的特性，因此我們比較關注輪胎的負載能力，我們希望卡車的重心位于兩個前輪和四個后輪之間。此時，每個輪胎承受相同的載荷。事實上，我們?yōu)槟承┛蛻粼O計的車身和框架都會考慮車輛實際的工作狀況。”

    由于這些重型卡車一般都是在偏遠地區(qū)作業(yè)，性能是一種關鍵特征。為了實現(xiàn)最佳性能，Tempelman發(fā)現(xiàn)自己常常坐 在某個地方，打開筆記本電腦，利用HyperWorks軟件進行分析。

    “到了現(xiàn)場，求解幾組工況以尋找降低結(jié)構(gòu)應力的方法。然后利用HyperView顯示我們所完成的任務。通過軟件，我可以準確描述哪里是基本結(jié)構(gòu)，哪些是修改的地方，哪個應力分析報告等。”   

    結(jié)論 

    長期以來Tempelman一直堅持使用HyperWorks的另一原因就是它能兼容多種求解器和數(shù)據(jù)格式。

    “HyperMesh內(nèi)嵌的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器功能實在太強大了，”Tempelman說，“在使用HyperMesh和HyperView的同時，還可以使用ABAQUS、LS-DYNA、NASTRAN等其他求解器，我不但不用放棄任何一種工具，而且可以就在一套軟件平臺上構(gòu)建我整個知識和經(jīng)驗體系。”

    “比如說：我們尋求傳力路徑時使用OptiStruct；如果想查看超彈性材料特性，如橡膠減震器時，我們可以使用ABAQUS；如果想了解鋼結(jié)構(gòu)特性，我們可以使用顯式程序LS-DYNA。所有的這些都將運行在HyperWorks的框架下，這使得我們的工作更加高效”。

    “除此之外，我們與Altair公司之間的合作關系，也是選擇HyperWorks軟件的重要因素。”Tempelman說，“許多軟 件公司來我們公司介紹時說，‘這是我們的軟件，如果有什么問題請撥打我的電話。’其實這并不奏效，但我知道，如果我撥打Altair技術(shù)支持熱線，或是發(fā)郵件我將會獲得很好的技術(shù)支持。這對日立和我來說都是非常重要的。”

    “我們成功的秘訣就是擁有一支好的團隊和選擇一款好的工具。”

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