CAE在自行车制造材料选择中的优化分析与应用

 项目介绍

 近些年，一些让人感兴趣的3D打印技术或者增材制造技术的案例被引入到自行车制造行业。但是直到今天，这种制造技术直接投放到产品市场仍旧受限，而以技术展示居多。增材制造技术对于自行车制造商而言是一项令人兴奋的技术，因为它具备更好的客户化设计潜能。自行车的设计需要充分利用工程仿真CAE技术，这就需要广泛的工程和专业的设计技术要求，这是一个挑战。

 RobotBike公司（RBC）确信将增材制造技术和碳纤维材料结合在一起是很有潜力的。用他们的话说，“让创建最好的自行车结构成为了可能”。

 RBC希望采用增材制造技术去定制生产非常高端的山地自行车。这种山地自行车可以根据个人的体重、身高和骑车风格来量身定做，并且在时间成本和制造成本上都要达到可接受的程度。

 挑战

 对于航空工业而言，RBC在增材制造以及开发产品和系统上已经积累了很多的经验。但是在新的项目领域，整个团队需要与行业伙伴一起合作，以便它能将重心转移到可行的商业领域上。

 他们的团队找到了HiETATechnologies公司、Renishaw公司和Altair。HiETATechnologies公司是为增材制造技术做工业设计的专家；Renishaw是增材制造机器领先的开发商；而AltairProductDesign团队确保自行车的设计充分利用了增材制造在设计优化技术上的灵活性。

 重量是自行车制造商必须重视的一个问题在设计一辆自行车的时候，减少重量后不能对结构的强度产生影响，例如通常减少重量会对自行车手产生很明显的感官上的变化。这是一个工程团队设计的难点，却也是自行车手购买时所关心的重点。

解决方案

 为了得到一个可定制、轻质量、高强度的自行车，RBC的核心团队决定采用碳纤维材料，这种材料在工业上的应用非常广泛。

 碳纤维管，如同自行车的其他部件结构一样，通过与增材制造的“钛节点”连接在一起，根据自行车手的个人偏好来加工制造。

 AltairProductDesign团队的任务就是优化这些链接头，同时也包括自行车的头管、座管和连接柄，以便保证这些部件在尽可能的轻的同时，也能承受山地行车下山时的受到的反作用力。所有的这些设计同时也需要满足增材制造的要求。

 在增材制造设计中，AltairProductDesign团队的主要任务是给出一个最高效利用材料的方案，方案中所需的设计可以通过不同的自行车手的需求来给定。为了在项目工期内，尽可能快地探索到一个优化解决方案，AltairProductDesign通过solidThinkingInspire软件将现有的设计输入软件环境，并快速施加自行车在使用期间自身框架需要的各种载荷数据和约束，比如节点的可用尺寸、固定点的位置等。

 通过使用这些数据来导出新的几何布局，这个几何布局移除了不需要的材料，满足了性能目标。

该团队然后将新的几何导入HyperWorks软件，采用HyperMesh来创建构件的详细模型，再用OptiStruct来进行更细化的材料厚度设计。通过这个流程，即可得到增材制造流程设计的新方案，其中包括了理想的打印角度和支撑结构的安置方法，以避免加工过程中对构件造成破坏。

 为了设计出重量利用最高效的零件，Altair产品设计寻找简化结构框架的设计以便能够降低产品的成本。例如绑定连接的连接柄，它最初是由3个部件构成，2个对称的钛零件和1个插入的碳纤维管。

 利用Altair软件和工程专业知识，该团队增材制造设计模型，重新对单个零件的连接柄进行优化设计，优化质量、承载性能和加工成本。该优化工作是在solidThinkingInspire中进行，同时在HyperWorks软件中进行详细的分析。最后，AltairProductDesign团队同HiETA公司进行了技术的传递，确保该公司在未来的产品设计环节中能够直接利用Altair的仿真技术。

 结论

 通过AltairProductDesign团队的优化工作成功交付了基于增材制造的钛框架节点的质量优化设计。

这个由solidThinkingInspire驱动、通过Altair团队演绎的新的材料布局，为增材制造加工创建了创新、有机且高度优化的外观设计方案。结构重量减轻了，同时零件的数量也减少了，这大大降低了加工的复杂性和成本。

 AltairProductDesign团队的参与对轻量化、强结构的设计做出了重要的贡献，在HiETATechnologies和Renishaw公司的密切支持下，该款山地自行车现在已经能投入产品制造。

 深圳市有限元科技有限公司是Altair公司在中国的一级代理商，代理Altair公司的多款CAE软件，并代理多个国外着名CAE软件，有限元科技是以工程仿真软件开发为核心，集CAE咨询、CAE培训、CAE软件研发与销售为一体的高科技企业。如有业务的需要请联系电话：13632683051，咨询QQ：4006046636。

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