齒輪輕量化設計的案例
基于概念設計的汽車輪轂輕量化設計
6 結束語
概念設計是機械產品的前期設計，前期設計的好壞直接決定后期產品性能的走向，拓撲優化技術作為概念設計的重要手段，不僅可以得到結構的合理材料分布，而且能夠實現結構的輕量化。本文利用Proe、Hypermesh、Optistruct和OSSmooth等軟件進行多學科聯合仿真，通過折中規劃法解決多工況優化問題，結合變密度拓撲優化法實現了汽車輪轂的概念設計，分別得到了3種汽車輪轂的創新結構模型。二次設計后，進行了仿真驗證分析，結果表明：7輻輪轂在滿足A356鋁合金許用應力的前提下，質量比原汽車輪轂減小了12.2%，而且7輻輪轂的最大應力值與許用應力值還有一定的余量，可以為下一步（詳細設計）輕量化提供參考。
參考文獻：
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[7] 聞邦椿.產品設計方法學[M].北京:機械工業出版社,2011.
展開 小天鵝工藝品概念設計和輕量化設計
技術鄰用戶：西藍花味甘
借助 solidThinking Evolve 自由的概念建模及渲染環境，設計師可以在創意階段自由發揮自己的創造力，將頭腦中的設計概念用三維的表現形式快速描述出來。將solidThinking Inspire和Evolve兩種工具結合，流程輕松效率高，很適合概念階段。
1、建模：
Evolve建模靈活修改方便，使用效率高。用多邊形NURBS化的曲面光順流暢。去掉多余的審美疲勞，簡單易上手
光順后模型雛形初現
多視角同時觀看模型，降低設計風險
2.使用solidThinking Inspire對天鵝頸進行優化，修飾一下天鵝頸
優化后結構如下圖所示：
基于優化結果在Evolve中對模型進行重構
3.在Evolve中對模型進行渲染，基于材料類型對模型進行渲染，并且可以即時觀看渲染效果，渲染效果逼真，大大提升工作效率
solidThinking Inspire和Evolve易學易用，友好的界面和便捷易懂的工具讓設計師更加專注于設計本身。
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展開 回轉工裝輕量化設計
1、使用Altair OptiStruct優化求解器進行結構優化設計，可以在短時間內獲得輕量化設計。
2、在該案例中，由于只對變形(剛度)有嚴格限制要求，因此，拓撲優化即可較好滿足要求。如果需要對應力、應變等細節性能進行控制，還可以使用OptiStruct形狀優化、尺寸優化等方法進一步控制。
3、該案例中對兩個部件進行了輕量化設計，總計減重75.19Kg，原始整機重232.5Kg，實現減重比32.3%。
回轉工裝輕量化設計.pptx
直播課程 | MSC Apex創成式設計讓輕量化設計更加智能
01/直播主題&時間
MSC Apex創成式設計讓輕量化設計更加智能
11月27日（星期五）14:00~15:00
02/您所期待的內容
- MSC對于輕量化設計的最新方案
- 以應力為導向的拓撲優化設計
- 自動生成多個滿足設計標準、質量最小化的平滑結構設計作為候選
- 無網格拓撲優化分析
- 為增材制造服務的拓撲優化軟件
- 自動過渡到CAD，通過智能算法可自動完成表面的光順
- 一鍵式優化
三星利用OptiStruct進行洗衣機零部件再設計，實現輕量化設計
行業：電子消費品
挑戰：皮帶輪的輕量化設計
Altair 解決方案：利用OptiStruct進行拓撲優化、尺寸和形狀優化分析
優點：減少了材料的使用；實現輕量化設計
背景介紹
蘇州三星電子公司是韓中合資的企業，主要研發和生產主流的家用電器。在過 去的17年里，公司已經生產了許多新款的冰箱和洗衣機，每一款都進行了細致的工程分析，通過優化來實現最大價值，在確保高品質性能的同時降低產品重量。
每一個零部件的設計都力爭實現輕量化的目標，所以蘇州三星非常重視洗衣機皮帶輪的優化設計就不足為奇了。滾筒洗衣機的皮帶輪是洗衣機的一個重要零部 件，在電機和滾筒之間其轉乘作用。
挑戰
傳統的皮帶輪通常為鑄鋁材料，由于生產成本的壓力，像蘇州三星這樣的企業已經開始關注通過優化設計或使用新材料來減少皮帶輪的重量，其中性能和成本是主要的考慮因素。所以蘇州三星利用拓撲優化技術來滿足相關設計和材料的挑戰。
“利用OptiStruct進行的輕量化設計為后期的結構優化提供了重要的參考。”
展開 汽車B柱輕量化設計研究
基于純電動汽車安全及續駛里程需求，輕量化設計被擺在突出的位置， 而單純追求車身輕量化可能會降低汽車的碰撞安全性。
而先進高強度鋼熱成型技術在汽車領域的應用，可以很好的解決汽車輕量化后仍能保持良好的防碰撞性能的問題， 而且成形后的零件具有基本無回彈、精度高、成形質量好等優點 。
目前熱成型沖壓件在車身的應用主要集中在Ａ柱、B柱、C柱、門防撞板、前后防撞梁、中通道、縱梁、門檻、儀表板橫梁等， 其中以B柱應用最為廣泛 。
1.
鑄造件輕量化優化設計
鑄造件輕量化優化設計
動力電池包輕量化設計技術
摘要：
在整車電量一定的情況下，電動汽車的續航里程一直是用戶重點關注的參數之一，而電動汽車用電池包作為三電系統中的核心部件，其輕量化的設計直接影響整車的續航里程。實現動力電池包輕量化設計主要有兩種途徑：提高單體電芯的能量密度，優化電池包結構設計，本文主要是針對第二種方式進行闡述輕量化設計的相關技術研究。
新能源汽車對輕量化設計更加敏感，直接影響到終端用戶的體驗度和滿意度。電動汽車電池包的輕量化研究是新能源汽車輕量化的主要研究內容之一，實現動力電池包的輕量化主要有兩種途徑：一是提高單體電芯質量能量密度，二是優化電池包結構設計和新材料的選型。
1 動力電池包輕量化設計思路
動力電池包的主要組成部分就是電池及相關結構輔件，目前單體電芯大多數為鋰離子電池，其主要由正極材料、負極材料、電解液、隔膜、銅箔等組成，動力電池包對電芯進行相關的串并聯組合方式實現不同的電壓和能量，過重的電池包對整車續航能力影響極大。
展開 鋼包架結構輕量化設計
1）輕量化要求及原始模型
如圖所示，鋼包架需要承受中間的鋼包（有效重量為271噸）。鋼包架如圖2所示，原始結夠重92噸，需要滿足正常工作的前提下，減重15噸左右。
2）鋼包架結構參數定義
根據鋼包結構，進行結構分析：預設計鋼板厚度1=（50-60 ）mm，2=（20-30）mm，3=（60-80）mm，4=（40）mm ，5=（50-80）mm ，6=（20-40）mm ，7=（20-40）mm ，8=（30-50）mm，9=（30-40）mm
為了便于分析說明，對主框架進行結構參數定義，見下表所示。
電機支架輕量化設計案例
記得在2017年8月2號，閱讀了solidthinking公眾號推送的一篇文章，其中講述的是一個類似飛機起落架電機支架的輕量化案例，當時十分感興趣，苦于沒有載荷和使用條件等相關參數，后來自己仿照文章的相關圖片仿制了一個自己的支架案例，喜歡的不得了，七個小時一氣呵成。以下是當時文章的案例，方便大家學習：
https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI5ODEzNzYxNg==&mid=2654304531&idx=1&sn=26f0533d5fbe56fd74a96bddf038d5cd&chksm=f76bb86cc01c317aa7f90ad58206ea482a9059085baf832358afc488f506d3e3180e95c76162&scene=0#rd
一、參考文章的設計
首先附上參考文章的輕量化結果，以表達對原作者團隊的尊重和敬仰。
二、本人的設計過程
1、在Creo中繪制設計原型，并導入inspire中選取設計空間、建立連接、選擇材料、施加載荷等。
2、獲得輕量化初始模型，苦于電腦性能較弱，沒能得到像參考文章中更加纖細的結構，有點遺憾。
3、將得到的結果導入Evolve中進行PolyNurbs的建模，并進行選然后，其結果如下：
展開 汽車車身輕量化設計的技術困境
在基于仿真驅動的汽車研發技術2.0下，主機廠整車開發普遍深陷的技術困境是“低成本、短周期、高性能、輕量化”四個項目終極目標兩兩之間的相互牽制和相互沖突，其中，主要矛盾是不斷嚴苛的汽車排放法規及不斷增加的電動化續航里程所產生的輕量化技術需求，與不斷提升的產品競爭力需求所產生的汽車研發制造低成本要求之間的矛盾。
在汽車研發技術2.0的技術困境中，技術問題只是一個次要方面，核心問題在于跨專業的技術溝通與協調。每一個技術決策需要同時滿足所有技術部門的專業技術要求，即每個部門對技術方案擁有“一票否決”權，特別是設計邊界高度復雜的車身工程開發。
為什么說在技術2.0下玩不轉車身輕量化？假設每個專業部門都絞盡腦汁的投入車身輕量化設計，并且每個部門拿出十個在本專業內效果非常理想的改進方案，提供給項目組討論和決策，一般結果是：本部門花了九牛二虎之力制定的絕大部分方案將直接陣亡，自信心受到巨大打擊。以下通過換位思考，分析技術方案被否定的四種情況。
第一，沒有考慮到某個技術專業常識性判斷，結果是一旦被指出技術方案的專業性問題，方案提出部門的技術判斷能力會立馬減分。
第二，考慮到了其它專業的實施條件，但需要某個技術專業的配合，意味著相關部門的技術工作量增加、難度增加、風險增加，配合與不配合對自身部門一個樣，結果是直接夸大本專業的技術實施難度。
第三，考慮到了需要其它技術部門配合的技術實施難度是可以克服的，結果是相關部門本著“多一事不如少一事”的想法，直接說非常樂意配合，但是人手不夠、資源不足，需要項目組協調。
第四，不需要其它部門配合，本部門直接可以搞定，那就不需要拿出來討論了，拿出來的目的是浪費其它部門的時間。
展開 
基于HyperWorks的司機室防撞柱的輕量化設計
并在此基礎上，分別使用尺寸優化的方法、尺寸與形狀聯合優化的方法，對模型進行優化設計改進。聯合使用尺寸與形狀優化可以較大程度地改善模型的應力水平，并且質量降低了20.7%，達到了輕量化的設計目標。
關鍵詞：防撞柱;有限元;輕量化;HyperWorks;
隨著鐵路行業的發展，內燃機車的設計趨向于高速重載，機車結構輕量化也成為重要的關注點。機車輕量化可以降低軸重、降低牽引功率、減少能耗、提升運行品質、降低制造成本。機車輕量化一般從2個方面入手：①使用強度高、質量輕、性能優異的新型材料代替傳統的碳鋼材料，但會導致制造成本的增加；②通過合理的結構設計和布局，在滿足機車使用要求的前提下，降低材料的使用量。
傳統的結構輕量化，通常由設計師根據經驗，參照有限元應力結果進行結構的調整，更改零件的尺寸和局部的細節，然后再進行仿真分析驗證，通過優化—仿真—優化這樣一次次的循環嘗試，得到最終的結構輕量化模型。輕量化的過程是反復且冗長的，工作效率低下，設計周期增加，這種方法具有很大的主觀性和局限性。隨著計算機輔助工程的發展，結構優化技術日益成熟，并且應用廣泛。尺寸優化和形狀優化是仿真軟件HyperWorks的優化模塊OptiStruct提供的優化方法，應用于產品的詳細設計階段，是關于模型細節方面的優化設計。尺寸優化通過改變結構單元的屬性，如殼單元的厚度、梁單元的橫截面屬性、彈簧單元的剛度等，以達到應力、質量、位移或者其他的設計要求；形狀優化通過修改結構的幾何邊界，得到結構的最佳形狀以減小應力集中，改善力學性能，增加構件剛度[1]。
本文研究將尺寸優化與形狀優化應用于內燃機車結構輕量化設計的方法。
展開 輪轂電機轉向節輕量化設計
輪轂電機轉向節輕量化設計.zip
摘要 本報告使用Altair公司提供的HyperMesh軟件以及OptiStruct的結構優化功能，對輪轂電機轉向節進行優化設計。本文重點介紹了在汽車極限左轉向工況下轉向節的約束載荷，以及結合制造工藝中最小成員尺寸約束進行拓撲優化，使其達到輕量化，且對于轉向節的優化設計具有一定的參考價值。
關鍵詞：輪轂電機轉向節 拓撲優化 輕量化 變密度法
1汽車輕量化設計背景介紹
在當今汽車工業中，減輕設計重量和縮短設計周期是兩個突出的問題。汽車輕量化設計開始占據了汽車發展的主要地位，但是簡單的汽車輕量化設計卻是一把雙刃劍，它在減輕汽車重量的同時，也犧牲了車輛的強度和剛度。在此情況下，Altair公司的有限元分析技術以及優化技術在汽車行業獲得了非常成功的應用。特別是對于一些結構復雜的汽車零件，HyperWorks的有限元分析技術、拓撲優化技術使得很多材料的潛能及鑄造的優勢得到了充分的發揮。
轉向節是汽車的重要安全零部件。該零件在原始設計中，由于整個機構的復雜性，只能作定性分析和類比估算。在確定實際結構時，往往選擇的安全系數過大，致使設計出來的產品結構過于笨重、粗大。另外，由于對實際的受力點未能完全把握，導致結構材料分布不夠均勻，鑄造工藝性較差。
2有限元模型建立及分析
轉向節與轉向系統其它零部件相連的同時，通過法蘭盤的制動器安裝孔進行定位。由于整車全工況有限元模型的計算量太龐大，導致計算時間過長，因此僅選取在極限左轉向工況下，轉向節模型與轉向系統零部件和輪轂電機相連接的六個節點作為輸入載荷點，單獨對轉向節模型進行優化。
展開 辦公桌掛鉤輕量化優化設計
圖 5
圖 6
由于采用拓撲優化方法設計得到的是擁有最少材料實現最大設計性能的機構，但是在工程應用中并不適用，因此需要對所得到的模型進行模型重構，得到工程易于加工制造的模型，3D重構之后得到的掛鉤結構如圖7所示。
圖 7
通過對優化前后對比計算可知，優化后重構模型相比優化前減重55%，大大節省了材料的使用，實現了掛鉤輕量化的設計目標，同時，由于在設計過程中設定了優化后掛鉤兩側關于中心面對稱，也簡化了制造過程。
文檔.pdf
展開 汽車前軸鍛件輕量化設計方法
節能環保、安全智能是當前汽車技術的發展趨勢，主機廠采取的最有效的應對措施是輕量化設計，而前軸作為汽車上最大的鍛件，其結構輕量化對整車減重具有顯著的貢獻。
早期由于國內缺乏相關的研發能力，前軸鍛件產品均從國外引進，如斯太爾、曼、日產153、五十鈴等，國內以此為基礎平臺，通過對比修改，衍生出一系列前軸鍛件產品。但由于缺乏有效的模擬分析手段和足夠的經驗數據，大多數設計師都過度依賴安全系數，導致前軸鍛件在設計階段就存在肥大、厚重的現象。此外，在樣件做臺架試驗時，如果出現前軸斷裂，往往傾向于增大前軸截面或更換材料來提升疲勞壽命，進一步加劇了前軸鍛件肥大超重的現象。與國外同噸位產品對比，這一現象十分顯著（表1）。
表1 國內外前軸鍛件對比
表中選取7.5t和6.5t兩個典型平臺產品，通過對比可見，在同等載荷、同等材料的條件下，國內6.5t前軸產品比國外重約10kg，而7.5t前軸產品比國外重了20kg左右。
三環車橋作為國內最大的前軸鍛件專業化生產廠家，鍛件毛坯品種多達150種，產品已大批量出口德國、美國、日本、印度等十幾個國家，因此前軸鍛件的輕量化設計具有顯著的經濟效益和深遠的戰略意義。
公司通過自主設計和對比國外同類產品，形成了汽車前軸鍛件輕量化的設計方法，并成功為國內外主機廠提供了近十個輕量化平臺產品，這些產品較之前產品重量減輕了8～15kg，且疲勞試驗及性能試驗全部通過驗證。
前軸鍛件結構受力分析
前軸作為安保件，在結構設計上要求強度有一定的富余，但是對大多數設計者來說，要得出準確有效的安全系數，并不是一件容易的事情，這里以6.5t前軸為例，通過分析其受力情況，給出一般的分析方法。
將前軸按一維梁處理，不考慮局部細節，將截面簡化為標準的工字梁截面，不考慮拔模和圓角，并將截面的上下邊界視為平面。
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