行業(yè)：高性能自行車

    挑戰(zhàn)：開發(fā)一款高性能的超輕型復(fù)合材料自行車車架

    Altair 解決方案：通過優(yōu)化碳纖維疊層來減少重 量和進行仿真研究，進而準(zhǔn)確評 估性能。

    優(yōu)點：重量從829g降低到710g 達到所有安全和性能指標(biāo)

    背景介紹 

    自行車行業(yè)的競爭日趨激烈，想從眾多競爭對手中脫穎而出，并非易事。面對歐洲日趨高漲的騎行熱情，自行車行業(yè)不斷推出具備多種功能且能夠應(yīng)對不同地形 的產(chǎn)品來滿足市場需求。制造商們正嘗試使用在航空航天領(lǐng)域較為常用的新技術(shù)和新材料來制造更快、更輕、更舒適的自行車。

    2011年，AdamWais及其好友AndersAnnerstedt（二人現(xiàn)居瑞典）認為當(dāng)時的自行車行業(yè)發(fā)展正日漸停滯，缺乏令人真正振奮的產(chǎn)品。在對市場形勢關(guān)注若干 年后，這對搭檔注意到自行車當(dāng)前市場與廣泛的超高性能自行車之間尚有差距。根 據(jù)騎車人需求量身定制的超高性能自行車具有無限發(fā)展?jié)摿Α晌蛔孕熊囘\動熱衷 者從其他行業(yè)領(lǐng)域里獲得了許多獨樹一幟的設(shè)計和經(jīng)營理念，在此基礎(chǔ)上，成立RoloBikes公司，致力于打造性能一流的自行車產(chǎn)品。    

    挑戰(zhàn) 

    在開發(fā)新型碳纖維自行車的過程中，Rolo設(shè)計團隊計劃打造一款既具備世界一流的強度和剛度又能實現(xiàn)重量最小化的車架。為此，他們需要利用高效的流程來設(shè) 計車架，并在虛擬環(huán)境里參照行業(yè)的安全和性能標(biāo)準(zhǔn)對車架進行測試。

    碳纖維材料由數(shù)層碳纖維鋪層構(gòu)成，將這些碳纖維鋪層層層疊加即可形成所需結(jié)構(gòu)。如何確定車架特定部位所需的碳纖維鋪層層數(shù)以及其中纖維的排列方向成為Rolo團隊設(shè)計工作中的一大難題。為達到剛度最大化和重量最小化的設(shè)計目標(biāo)，Rolo團隊想要對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并為碳纖維找到一種不使用任何多余材料的理想布局。

    在新車架研發(fā)早期階段，RoloBikes團隊曾接觸過AltairHyperWorks仿真工具。但當(dāng)時團隊內(nèi)部缺少相應(yīng)的計算機輔助工程(CAE)專業(yè)經(jīng)驗，難以對車架進行準(zhǔn)確分析和優(yōu)化。

    AltairProductDesign團隊比較熟悉HyperWorks，并且在CAE技術(shù)應(yīng)用方面具 備豐富的專業(yè)經(jīng)驗，RoloBikes因此希望通過與其合作來優(yōu)化碳纖維結(jié)構(gòu)。該計劃的目標(biāo)是通過優(yōu)化車架使自行車的重量、剛度和舒適度均達到世界領(lǐng)先水平。該團隊的另外一個任務(wù)是，開發(fā)一套高效和節(jié)約成本的測試流程，用以分析Rolo及其他合作伙伴公司未來自行車車架的性能。      

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    “我們與AltairProductDesign之間的合作堪稱完美。如果沒有他們的幫助，我不知道我們的產(chǎn)品是否能在市場上獲得認可。我十分期待未來與他們建立更緊密的合作關(guān)系。” 

                                                                                                               AdamWais 

                                                                                                               RoloBikes公司擁有者&合伙人                                                                                                              

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    解決方案

    優(yōu)化復(fù)合材料車架

    借助HyperWorks，RoloBikes設(shè)計團隊成功創(chuàng)建了一套可重現(xiàn)歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會（ComitéEuropéende Normalisation，CEN）測試和Zedler剛度測試的虛擬測試工具。此外，該團隊還在基準(zhǔn)車架模型與物理檢測數(shù)據(jù)之間建立了關(guān)聯(lián)。該基準(zhǔn)模型重829g，制造難度非常大。在對基準(zhǔn)設(shè)計的初始虛擬分析中，設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)車架有幾個高應(yīng)力集中區(qū)需要特別關(guān)注。在項目優(yōu)化階段，設(shè)計人員力求以一種輕量化方式來處理這些高應(yīng)力區(qū)，同時確保設(shè)計的生產(chǎn)可行性。

    為了對碳纖維車架進行優(yōu)化，AltairProductDesign采用了一種三步式方法，在實施此方法的過程中，每一層復(fù)合材料的形狀、厚度、方向和位置都進行了微調(diào)，直到獲得一個最佳的解決方案。每個階段都使用了HyperWorks結(jié)構(gòu)分析求解器 OptiStruct來完成。

    在第一階段，根據(jù)同一纖維方向的材料創(chuàng)建的鋪層，以定義每層復(fù)合材料的最佳形狀和位置。

    在第二階段的“尺寸優(yōu)化”中，確定鋪層（在第1步創(chuàng)建）的最佳厚度。 在最后的“鋪層順序”階段中，對復(fù)合材料層的可能疊加順序進行評估，并針對想要實現(xiàn)的設(shè)計特性來建議最理想的順序。

    在該過程結(jié)束時，再次依照CEN和Zedler測試要求使用HyperWorks對優(yōu)化后的車架進行分析和驗證，同時評估車架的疲勞性能。以最終得到的復(fù)合材料“疊層”為基礎(chǔ)，團隊成員制造出了一種新型部件，這種部件可以使用Rolo在歐洲制造中心所采用的精細手工鋪疊建構(gòu)法制造，而且所有環(huán)節(jié)均未超出預(yù)期成本指標(biāo)。                                                             

    結(jié)論 

    該項目成功后，RoloBikes擁有一套全面且高度準(zhǔn)確的虛擬測試工具，可根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)性能指標(biāo)對任何自行車車架的性能進行分析。公司的設(shè)計團隊在具備此能力后，就可以減少對成本高昂的原型制作及物理測試過程的依賴，大幅縮短未來的開發(fā)周期。

    該復(fù)合材料優(yōu)化流程成功地將車架重量從829g減少到792g。Rolo制造團隊又對材料進行了其他方面的改良，進一步降 低了車架質(zhì)量，使最終重量只有710g。該設(shè)計不僅符合所有性能和安全標(biāo)準(zhǔn)，在剛度和耐久性方面的提升幅度更是遠遠超 出預(yù)期。此外，從最初基準(zhǔn)中容易被忽視的制造角度來看，經(jīng)過優(yōu)化的設(shè)計實際上極具可行性。

    放眼未來，隨著設(shè)計團隊經(jīng)過驗證的材料數(shù)據(jù)不斷積累，Rolo虛擬測試工具的準(zhǔn)確性勢必會逐漸提高。在明顯提升了自己產(chǎn)品的性能之后，RoloBikes如今與AltairProductDesign聯(lián)手為自行車行業(yè)的其他公司提供咨詢建議，分享項目經(jīng)驗。  

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