行業：航空航天

    挑戰：如何降低零部件的重量

    Altair 解決方案：利用 OptiStruct 進行拓撲優化

    優點：節省了 64%的材料 ；減少應力的同時提升強度 ； 大幅度降低成本

    背景介紹 

    金屬的疊層制造 （Additive Layer Manufacturing, ALM）是在飛機結構研發早期 階段使用的一種零件加工的新型技術。ALM的優勢體現在生產部件的設計靈活性、較 低的材料浪費、低生產成本等，尤其針對那些難以加工的硬質材料。

    設計靈活性使得ALM成為拓撲優化的完美應用。在應用時，拓撲優化的形狀可以 被保持，最終的質量和結構屬性也更加接近那些優化得到的形狀。

    EADS創新中心在TSB的資助下，與工業界和學術界共同合作進行AVLAM項目的 開發，來探索能否為航空航天業制造出優化的ALM零件，達到技術和商業的可行性。 作為試驗，他們使用了HyperWorks的拓撲優化工具OptiStruct軟件，來為空客A320的 零件進行優化，進而推廣應用于其它的航空結構。

                                                                                 圖 1：空客A320 原機艙鉸鏈支架（后）優化設計ALM制造后形狀（前）   

    挑戰 

    ALM 是一種新興的制造技術，它基于相對靈活的設計約束限制，通過優化設計達 到顯著降低零件重量的目標。

    ALM 制造的成本獨立于零件的復雜度，所以這是一個良性循環，即通過優化設計 節省了零件的材料用量，從而降低成本。 

    此項目的目標是使用 ALM 提供的設計自由度來論證潛在的材料重量節省能力，并 且保持與原零件相同的性能。    

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    “OptiStruct 使得我們可以在 ALM 過程中實現減重，實現效益最大化!”  

                                                                                                              Jon Meyer  

                                                                                                               EADS Innovation Works                                                                                                               

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    解決方案

    EADS創新中心實施優化策略，以盡可能少的材料生產一個零件（例如最輕重量）。他們采用OptiStruct進行拓撲優化， 其中包括以下兩個設計過程： 

    第一個設計周期 

    在CATIA V5 中進行初始設計并在選定的條件下，進行了魯棒性測試。在對結構進行改進時使用HyperWorks的 HyperMorph功能對其CAE模型進行新的約束和新的網格變形，再使用OptiStruct對其進行了形狀和尺寸的優化。在這個階段， 零件僅重 310g. 

    第二個設計周期 

    基于第一個設計周期的結果，施加新的各種約束，重復優化的過程。結果使當前的零件在反復優化后比第一個設計階段 中得到的僅僅重 16g，總重量為 326g。 

   

                                                                                 圖 2：優化設計周期

                                                                                 圖 3：原鉸鏈的FEA模型

                                                                                 圖 4：優化后的鉸鏈FEA模型                                                                     

    結論 

    OptiStruct 獨特的拓撲優化技術進一步證實了，對 ALM 制造的小尺寸飛機零部件使用優化技術可以節省可觀的材料。 優化后得到的零件質量只有 326g，比起原零件的質量 918g，足足減少了 64%。

     優化設計結果保留了相同的剛度特性和螺栓載荷，零件上的應力減小了，強度卻得到了提升。 

    這樣的結果表明了一個強大的商業案例，就是一個飛機中成千上萬的小尺寸 ALM 零件都可以被優化減重。我們可以充 分利用這一新技術和工藝制造的優勢，從而實現航空航天工業領域產品減重、優化設計及降低成本等目標。   

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