應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化制造更輕的塑料件

項目介紹

為應(yīng)對全球變暖，世界各國都設(shè)定目標(biāo)減少二氧化碳的排放。汽車工業(yè)也在為此努力，致力于提高車身結(jié)構(gòu)和引擎的效率來降低排放。一個主要的方法是提高駕駛過程中的燃油效率，而使車身更輕正是達(dá)到這一目標(biāo)行之有效的方法。鋼和鋁等金屬材料占了汽車的大部分重量。近年來，塑料材料被越來越多地用在車身的某些部件以減輕重量。塑料材料目前約占整車重量的9%。

Kanto Auto Works, Ltd. （Central Motor Co., Ltd.和Toyota Motor Tohoku Corporation的合并，于2012年7月成為Toyota Motor East Japan）是豐田集團(tuán)的核心成員，研發(fā)和生產(chǎn)豐田汽車車身。該公司的有機(jī)材料工程部評估并開發(fā)了塑料件在車身上的應(yīng)用。在研發(fā)大的塑料件如儀表板的初始階段，使用CAE技術(shù)驗證零件剛度和耐熱性能。塑料明顯比金屬材料輕，也可以被塑造成復(fù)雜的形狀。但與此同時，也很容易發(fā)生變形。比如在外力下的翹曲和高溫下的熱膨脹。為了使塑料件更輕同時保證足夠的剛度和耐熱性，必須分辨出哪些區(qū)域需要改進(jìn)。

挑戰(zhàn)

為了提高塑料件的剛度和耐熱性，Kanto Auto Works結(jié)合了CAE與真實的實驗，比如在塑料測試板上施加重量或在高溫下觀察熱膨脹。但是這些實驗結(jié)果并不足以得到一致的評價結(jié)果。因為判斷依賴于員工的經(jīng)驗和實驗的完成情況。

“在查看塑料件變形率和應(yīng)力的實驗結(jié)果時，員工判斷一個零件是否需要改進(jìn)的能力嚴(yán)重依賴于他們的經(jīng)驗，” Ayumi Sugiyama說，“不同的員工會得到不一致的評價結(jié)果，這將使得建立有效的對策變得困難?！?br />
圓角矩形: “OptiStruct計算結(jié)果精確指出了哪些區(qū)域需要改進(jìn)，使得更輕、更薄的零件在現(xiàn)有的成型條件下可以制造出來，這意味著全部的零件現(xiàn)在可以更輕?！盇yumi SugiyamaManager Yoshio Sugimoto

解決方案

Kanto Auto Works開始使用來自Altair的結(jié)構(gòu)優(yōu)化工具OptiStruct找出需要改進(jìn)的部位。在設(shè)計流程的任何階段，OptiStruct允許用戶結(jié)合優(yōu)化功能和不能單純通過實驗得到的信息去設(shè)計出全新的創(chuàng)新形狀。這使他們可能創(chuàng)造出更輕的零件，通過一些方法減少生產(chǎn)流程，比如決定最優(yōu)材料、分辨某些部位是否需要改進(jìn)、自動起筋、優(yōu)化有限元模型并決定最優(yōu)的板件厚度和梁結(jié)構(gòu)的截面形狀等。

OptiStruct通過拓?fù)鋬?yōu)化計算顯示出需要加強(qiáng)的部位以抵抗外力產(chǎn)生的變形。對于耐熱性能，首先基于塑料測試板的測試結(jié)果，通過計算確定能夠產(chǎn)生相應(yīng)的變形的荷載。然后再用OptiStruct拓?fù)鋬?yōu)化計算出需要改進(jìn)的區(qū)域以獲得更好的耐熱性。

圖1 拓?fù)鋬?yōu)化

“這將能夠以合理的精度預(yù)測需要增加剛度的區(qū)域是承載截面和截面周圍的區(qū)域，”Sugiyama女士說，“但是，OptiStruct顯示的易于熱變形的區(qū)域與我們的預(yù)測不同。傳統(tǒng)的熱變形評價方法是加強(qiáng)那些產(chǎn)生主要變形的區(qū)域，但是OptiStruct得到的結(jié)果與基于經(jīng)驗的預(yù)測不同?！?br />
基于優(yōu)化結(jié)果制造了一個新的塑料測試板，測試板上需要加強(qiáng)的部位做的更厚，其它區(qū)域做的更薄。耐熱性測試顯示熱膨脹得到了抑制。Kanto Auto Works接受了這個對儀表板的改進(jìn)方法。基于OptiStruct拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，這一改進(jìn)方法被反復(fù)應(yīng)用和評估直至達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)。

需要加強(qiáng)以提高剛度的地方 需要加強(qiáng)以提高耐熱性的地方
圖2 剛度和耐熱性拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

結(jié)論

經(jīng)過這次評估，Kanto Auto Works通過改進(jìn)一些可能的最小區(qū)域成功提高了結(jié)構(gòu)剛度和耐熱性。同時減輕了20%的重量。

除儀表板外，Kanto Auto Works計劃擴(kuò)大OptiStruct拓?fù)鋬?yōu)化功能在開發(fā)大型塑料件上的應(yīng)用，比如保險杠，以便更進(jìn)一步地降低這些零件的重量。