行業(yè)：電子消費(fèi)品

    挑戰(zhàn)：皮帶輪的輕量化設(shè)計(jì)

    Altair 解決方案：利用OptiStruct進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸和形狀優(yōu)化分析

    優(yōu)點(diǎn)：減少了材料的使用；實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)

    背景介紹 

    蘇州三星電子公司是韓中合資的企業(yè)，主要研發(fā)和生產(chǎn)主流的家用電器。在過(guò) 去的17年里，公司已經(jīng)生產(chǎn)了許多新款的冰箱和洗衣機(jī)，每一款都進(jìn)行了細(xì)致的工程分析，通過(guò)優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)最大價(jià)值，在確保高品質(zhì)性能的同時(shí)降低產(chǎn)品重量。

    每一個(gè)零部件的設(shè)計(jì)都力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)，所以蘇州三星非常重視洗衣機(jī)皮帶輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)就不足為奇了。滾筒洗衣機(jī)的皮帶輪是洗衣機(jī)的一個(gè)重要零部 件，在電機(jī)和滾筒之間其轉(zhuǎn)乘作用。 

    挑戰(zhàn) 

    傳統(tǒng)的皮帶輪通常為鑄鋁材料，由于生產(chǎn)成本的壓力，像蘇州三星這樣的企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始關(guān)注通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)或使用新材料來(lái)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?fù)鋬?yōu)化技術(shù)來(lái)滿足相關(guān)設(shè)計(jì)和材料的挑戰(zhàn)。

     

---

    “利用OptiStruct進(jìn)行的輕量化設(shè)計(jì)為后期的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了重要的參考。” 

                                                                                                               程福萍

                                                                                                               高級(jí)工程師

                                                                                                               蘇州三星電子公司                                                                                                               

---

    解決方案

    為了實(shí)現(xiàn)皮帶輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)，蘇州三星選擇了OptiStruct，AltairHyperWorks計(jì)算機(jī)輔助工程工具和現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化求解器的重要部分。“OptiStruct給我們提供了重要的優(yōu)化功能，比如拓?fù)洹⒊叽绾托螤顑?yōu)化。”程工說(shuō)，“我們對(duì)通過(guò) 拓?fù)鋬?yōu)化來(lái)獲得最有效結(jié)構(gòu)或材料布局特別感興趣。”就皮帶輪來(lái)說(shuō)，公司采用了拓?fù)鋬?yōu)化中的變密度法，密度法以每個(gè)單元的相對(duì)密度為設(shè)計(jì)變量，通過(guò)尋找結(jié)構(gòu)的最佳傳力路徑來(lái)確定材料的最佳布局。

    首先，對(duì)原始皮帶輪的模型進(jìn)行靜力分析。然后工程師定義拓?fù)鋬?yōu)化模型，包括設(shè)計(jì)變量的定義、目標(biāo)函數(shù)和約束條 件。在解決優(yōu)化問(wèn)題之后，他們創(chuàng)建了基于拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行尺寸和形狀優(yōu)化。整個(gè)流程包括優(yōu)化結(jié)構(gòu)的靜力分析以及優(yōu)化前后的結(jié)果比較。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。

    拓?fù)鋬?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(kāi)的角度。相對(duì)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%。

    然后，蘇州三星開(kāi)始評(píng)估用尼龍材料替代鑄鋁材料的潛在利益。尼龍材料提供較低的密度，但是必須增加更多的材料以滿足皮帶輪的剛度要求。同樣，工程師對(duì)尼龍材料的皮帶輪也進(jìn)行了靜力分析，利用OptiStruct進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，測(cè)量材料的不同密度，然后在AltairHyperView中讀取結(jié)果。借助OptiStruct，可以去除5輻尼龍皮帶輪上不重要的材料，而不影響性能，比原始尼龍材料的模型總體積減少10%。          

                          

    結(jié)論 

    “最終優(yōu)化的皮帶輪使用了較少的材料，同時(shí)滿足了我們的位移和剛度要求，”程工說(shuō)道，“OptiStruct拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)幫助我們達(dá)到了結(jié)構(gòu)減重的目標(biāo)，找到可替代材料，而無(wú)需大量的試驗(yàn)，同時(shí)滿足機(jī)構(gòu)性能要求。該輕量化設(shè)計(jì)為后期的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了重要的參考。”現(xiàn)在，鑄鋁材料4輻皮帶輪已經(jīng)得到了大規(guī)模生產(chǎn)，三星公司也通過(guò)皮帶輪的再設(shè)計(jì)獲得了專利。尼龍材料的皮帶輪目前還處于試驗(yàn)階段。  

---

    【想獲得更多信息，請(qǐng)加技術(shù)鄰微信客服 jishulink888。也可以申請(qǐng)?jiān)囉谩⒚赓M(fèi)測(cè)算、報(bào)名培訓(xùn)、研發(fā)人員20人以上的企業(yè)可以申請(qǐng)免費(fèi)上門內(nèi)訓(xùn)】