包裝件結構優化的案例
海爾利用RADIOSS優化空調結構和包裝設計
行業：電子消費品
挑戰：如何優化空調結構和包裝設計
Altair 解決方案：利用RADIOSS碰撞理論進行空 調器結構、包裝設計
優點：節省材料 ； 結構性能更高效 ； 加快設計周期
背景介紹
海爾集團創立于 1984 年，主要研發和生產冰箱、空調、洗衣機、熱水器、彩 電和廚房電器等白色家電。海爾集團“秉承銳意進取的海爾文化，積極拓展業務新 領域，開辟現代生活解決方案的新思路、新技術、新產品、新服務，引領現代生活 方式的新潮流，以創新獨到的方式全面優化生活和環境質量。”
隨著家電市場競爭日益激烈，產品的質量、成本和開發周期越來越受到家電企 業的高度重視。計算機軟件和硬件技術的不斷發展，對百萬以上大型模型進行求解 的效率越來越來高。利用 RADIOSS 碰撞理論進行空調器結構、包裝設計，可以大 幅提高產品的可靠性，有效節約包裝材料，并進行創新設計，達到行業的技術領先。
挑戰
依靠工程師設計經驗以及參考母本進行的空調結構、包裝設計方法，往往只能 做定性的分析。當模型結構較為復雜時，定量的手工計算分析是非常困難的。單靠 工程經驗進行的設計方法存在過度使用材料，或強度欠佳等問題，已遠遠不能滿足 家電行業快速發展的需要。
“利用RADIOSS的多CPU技術、質量縮放技術進行跌落分析，計算效率更高；計算結果更準確，不受CPU核數的影響。”
展開 力鏈接件優化結構
1、原始結構由焊接板組成，作用力為傾斜45度施加，通過對模型分析，可以優化結構，使得模型質量不變或更小的情況下承受更大的作用力。
2、在inspire中進行受力分析并優化最終模型，并在其他Cad軟件中重新構建，最終成型模型更加輕量化，且不再有多個鈑金拼接而成，受力更均勻合理。
傾斜45°力作用在零件，與平臺固定夾角45°，拓撲優化零件減輕重量優化結構。
結構件優化設計方法的探討
3、尺寸結構優化研究。
如何使吊耳在滿足強度條件的前提下，吊耳質量最輕。根據經驗可得，內徑越小，外徑越大，角度越小，厚度越大，吊耳越安全，但是吊耳的內徑越大，外徑越小，厚度越薄，質量越輕。如何有效地解決這對矛盾呢？
下面以初步設計尺寸為出發點，利用Workbench中Design Exploration模塊（優化設計模塊），探索研究一種最優尺寸結構，使吊耳在滿足強度條件的前提下，吊耳質量最輕，節省原材料，降低生產成本。
在Design Exploration模塊中，幾何模型的尺寸設計參數為內徑r，寬度h，角度θ和板厚δ。如圖5所示。
圖5 計算模型
有限元分析計算流程如圖6所示，首先設計計算模型，劃分網格，計算結果驗證模型的準確性，其次設計優化參數，設定優化實驗方案，本課題工做26組實驗，計算相應曲面分析不同參數對吊耳受力的影響，最后設定多目標優化方案，選出最優參數組合，達到優化吊耳結構的目的。
圖6 優化設計流程圖
計算結果如圖7所示，由結果可以看出內徑越小，外徑越大，角度越小，厚度越大，吊耳應力越小，這符合理論計算及實際情況。但應力最小時，吊耳尺寸為r=65mm，h=51mm，δ=16mm，θ=65°，質量為3.4Kg，初步設計質量為4.15Kg，節約材料18%。此時應力為97.56Mp，比需用應力小的多，因此可以適當提高材料的受力大小，進一步優化吊耳結構。
圖7 優化設計結果
二次優化設計參數方法為，在Design Exploration模塊中，保持幾何模型的尺寸參數不變，新引進吊耳質量參數m，同時將質量和吊耳應力設為目標參數，再重復上次優化操作步驟，最終其計算結果如圖8所示。
展開 拓撲優化技術在整體結構件上的應用
我們目前正在進一步擴大研究范圍和規模，正在探索整個機身部件、整個機翼結構等整機級的拓撲優化設計，為挑選一型型號終極優化結果開展相關研究。因此，拓撲 優化設計技術研究成果將在未來先進戰斗機、大型民用客機、支線飛機、直升機以及各類高推重比航空發動機等重大武器裝備研制生產中具有重大應用價值和廣闊應用前景。
圖 6 拓撲優化技術在飛機機身結構設計中的探索應用
4 結束語
將結構拓撲優化方法應用于飛機結構布局方案設計過程中，可以獲得最佳的結構形式和材料分布，使結構傳力更加直接和高效，且有效減輕飛機結構重量，提高飛機性能。相對于傳統的設計方法，全新的設計理念幫助設計師們以更快的速度確定性能更高、重量更輕、結構更可靠的布局形式，可為初期階段設計的產品提供清晰的設計思路，減少設計反復。同時，隨著加工制造手段的不斷更新，現代飛機結構上已逐步開始使用先進成型工藝技術如激光電子束成型和激光粉末堆積成型等方法，也為拓撲優化設計的產品打開新型制造的窗口，使得飛機整體結構件的設計更為輕巧合理，重量顯著降低，研制的周期大為縮短。
5 參考文獻
[1]張勝蘭,鄭冬黎,等.基于HyperWorks的結構優化設計技術[M].機械工業出版社,2007.
[2]李楚琳,張勝蘭,等.HyperWorks分析應用實例[M].機械工業出版社,2008.
[3]鄧揚晨,張衛紅,朱繼宏,等.飛機翼面結構概念設計方法研究[J].航空學報,2003.
[4]劉志強,王明強.基于SIMP拓撲優化理論的結構概念設計研究[J].江蘇科技大學學報 2006.
[5] 李金國,等.基于HyperMesh的有限元前置優化設計[J].制造業信息化, 2005.
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汽車電動踏板擠出薄壁件結構優化（一）
圖7 尺寸優化結果
3.6 優化結果對比
依據尺寸優化的結果重構三維模型，如下圖所示，結構差異較大，分別對這兩個結構進行剛度計算。
圖8 優化前后結構對比
圖9 優化前后下沉量對比
優化前后參數對比 表1
方案對比
下沉量 mm
斷面面積 mm^2
質量 kg
剛質比 1000/(mm*kg)
優化前
0.95
1939.4
3.4
309.6
優化后
0.45
1869.2
3.28
677.5
經過結構優化后的方案，剛度提升了210%，質量減少了3.5%，優化后的方案綜合性能提升明顯。
4. 總結與建議
本案例通過綜合運用拓撲優化、自由尺寸優化、尺寸優化技術展示了擠出薄壁件的結構優化方法，收到了良好的效果。一般擠出薄壁件的結構優化流程如下：
1）在滿足工藝以及功能性要求下，將零件分為可設計域和非設計域；
2）應用拓撲優化方法，求解出最優截面形式；
3）依據拓撲優化結果，重構三維模型，應用自由尺寸優化方法，獲取零件最佳厚度分布區域；
4）依據自由尺寸優化結果，將零件離散為一些列均勻的區域，將這一些列均勻區域的厚度作為設計變量進行尺寸優化，從而獲取截面上各部位精確的厚度；
5）依據尺寸優化優化結果，工藝檢查，重構三維模型，校核優化后模型的剛強度。
結構優化應用到具體產品上，會有諸多問題需要考慮。
展開 設計仿真 | MSC Apex通過創成式設計有效優化飛機結構件
這三個候選設計代表了MSC Apex Generative Design中可用的三種不同算法—稀疏、中等和密集—參考了三種可用的優化選項。這三種設計方案最終在重量上只相差幾克，與原始設計相比，這三種設計方案的總重量減少了63%。每個設計方案都需要不同數量的飛機結構附著點，在稀疏設計中只需要3個附著點，在中等設計中需要4個附著點，而在密集設計中則使用了所有原始的5個附著點。由于用戶希望盡可能均勻地分配負載傳遞，因此最終選擇了具有四個附著點的“中等”設計方案。
圖2:三種不同的設計方案(從左到右)：稀疏，中等，密集，使用MSC Apex Generative Design求解器中的三種不同設置。主要區別在于附著點的數量(稀疏有3個，中等有4個，密集有5個)。方案B(中等)最終被選為最終設計方案。
驗證效果
為了驗證該組件及其在飛機中的使用，對該組件施加了靜態和動態載荷。帕德博恩大學的工程師模擬了不同的加載條件，并使用Von Mises應力和模型變形來確定零件的強度，以及最終設計的最終有效性。與傳統設計的支架相比，優化后的結構變得更加堅固。對于負載工況1，它現在可以承受三倍的負載，對于負載工況2，它可以承受2.1倍的負載。最終設計的最大應力為原設計的45%，最終設計的最大變形為原設計的70%。
圖3:最終設計的Von Mises應力和變形圖(歸一化到原支架的仿真結果)。最終設計的最大應力為原設計的45%，最終設計的最大變形為原設計的70%。
物理試驗及結論
新設計的部件能夠承受飛機上的載荷條件，該部件安裝在拉伸試驗機上，并施加了原始部件設計的最大載荷。優化后的組件順利通過了這一加載條件，沒有任何缺陷，最終能夠承受其設計載荷的225%，這證明了優化設計的結構有效性。
展開 案例 | 汽車結構件減震塔的鋁合金壓鑄工藝優化
凝固過程模擬
（a）完全凝固；（b）凸起結構上部放大圖-凸面；（c）凸起結構上部放大圖-凹面。
圖6為金屬液完全凝固后所得鑄件的形狀。可以看到，在減震塔零件中的凸起結構上部存在一較大的孔洞缺陷，觀察其局部放大圖可以發現，在該處存在兩個尺寸較大的近圓柱形凸臺，高度達到20mm。在凝固過程中，這一厚大部位凝固速度較慢，會發生補縮現象，形成孔洞。
對此，采取局部冷卻的方法加快該部位的凝固速度，以獲得致密的鑄件。在該處的模具上加入銅塊以達到快速冷卻的目的[13]，其模擬結果如圖7所示，得到內部致密無孔松的優質鑄件。最后采用該工藝實際生產出合格的鋁合金減震塔零件，成品率達到90%以上。若通過控制模具溫度等其他條件，成品率有望進一步提高。
圖7 局部冷卻后得到的優質鑄件
四、結論
1. 設計、優化選出大型、復雜汽車結構件——鋁合金減震塔的壓鑄澆注系統及溢流和排氣系統。
2. 利用數值模擬方法分析了減震塔零件的卷氣發生部位和區域，預測了壓鑄缺陷的種類及位置，以此為基礎更改了澆注系統的設計。
3. 在壁厚尺寸較大圓形結構處容易發生卷氣現象和縮孔缺陷，采用局部冷卻方法等工藝措施，消除了缺陷，獲得整體質量良好的鋁合金減震塔壓鑄件。
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