利用仿真分析實現新材料的創新設計

2017-01-05 by:CAE仿真在線來源:互聯網

分析和優化工具幫助三星工程師在不犧牲性能的條件下降低設備成本

韓中合資的蘇州三星電子公司開發和生產主流的家電產品,包括冰箱和洗衣機等。公司通過在不犧牲產品性能的同時減少材料的使用,從而不斷尋求新的途徑來提升競爭力。

家電產品是競爭非常激烈的市場,所以家電設備制造商在創建新的設計時特別強調技術創新和成本效益。而簡化產品結構和控制生產工藝是成本控制的重要因素,原材料的選擇在降低成本方面起著重要作用。

仿真技術在三星實現這些目標方面扮演者重要角色,為其商業產品線挖掘輕量化機會和替代材料的機會。

輕量化實現皮帶輪的優化

程福萍,蘇州三星經理,解釋道公司為其某一型號的洗衣機優化皮帶輪的設計。皮帶輪在電機和滾筒之間起轉乘作用。

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。

為了實現皮帶輪的優化設計,蘇州三星選擇了OptiStruct,Altair HyperWorks計算機輔助工程工具和現代結構分析與優化求解器的重要部分?！?/span>OptiStruct給我們提供了重要的優化功能,比如拓撲、尺寸和形狀優化?！背坦ふf,“我們對通過拓撲優化來獲得最有效結構或材料布局特別感興趣?！?/span>

蘇州三星的工程師找出最優的材料布局或輪輻區最小的體積,優化5輻皮帶輪。

鑄鋁材料5輻皮帶輪的原始設計

Altair OptiStruct拓撲優化結果

鑄鋁材料4輻皮帶輪的優化CAD模型

優化后的鑄鋁材料4輻皮帶輪現在已批量生產

拓撲優化之后先創建4輻皮帶輪。形狀優化能夠使工程師確定輪輻末端岔開的角度。相對于5輻皮帶輪,重新創建的CAD模型顯示皮帶輪的總體積減少了6%。

現在,鑄鋁材料4輻皮帶輪已經得到了大規模生產,三星公司也通過皮帶輪的再設計獲得了專利。尼龍材料的皮帶輪目前還處于試驗階段。三星公司繼續使用OptiStruct和HyperWorks CAE套件來挖掘可使用的替代材料,進一步降低皮帶輪的成本,增強性能。

為材料替代設計

為了保持生產成本的下降,蘇州三星考慮改變冰箱門蓋的的設計。冰箱門由上門蓋、下門蓋、鋼板、內膽以及發泡料組成。ABS工程塑料通常是通過注塑成型而制成,用在上門蓋和下門蓋上,被安裝在門端,固定門的位置。

為了控制成本,公司試圖用HIPS來替代門蓋的ABS材料進行注塑成型。不幸的是,在物理試驗中,HIPS制成的門蓋在三星的溫度循環試驗中發生了開裂。

工程師通過仿真來驗證他們的物理測試結果,從而找到HIPS門蓋設計的修改方法,消除開裂現象。

趙守振,CAE工程師,解釋道,在物理可靠性測試過程中,門被放置在變溫室內,溫度起初先降低到令人不寒而栗的水平,然后提升到高溫狀態,最后再降到冰點。在這個溫度循環過程中,由HIPS材料制成的冰箱上下門蓋的頂部表面發生了開裂,裂紋開始于門蓋前邊緣的中間位置。

蘇州三星的工程師開始對材料、結構和注塑成型流程進行分析,找出開裂的原因。他們知道相比ABS,HIPS的強度和韌性要差一些,并且熱膨脹系數要大,在溫度急劇變化的情況下變形較大。顯而易見,材料的改變是導致開裂的主要因素。

其次,出于美觀的角度,門蓋的邊緣采用了平面倒斜角的形式,導致了外邊緣強度的降低。在注塑成型的過程中,上門蓋采用三點進膠,中間部位存在澆口,下門蓋采用兩點式進膠,中間部位存在熔接線,在澆口和熔接線附近會產生殘余應力,這種殘余應力的存在會加劇門蓋在中間部位開裂的風險。

仿真催生解決方案

為了定性和定量分析門蓋在熱膨脹和收縮狀態下的應力,工程師使用了HyperMesh,高效的有限元前處理工具和RADIOSS,結構分析和優化求解器;兩者都是Altair HyperWorks CAE解決方案中的一部分。工程師利用HyperMesh創建了冰箱門蓋的溫度場的計算機仿真。鋼板和內膽采用面網格劃分,發泡料采用體網格。

因為每個部件的材料參數是在室溫下測定的數據,所以模擬分為兩個工況:從室溫到低溫(工況1)和從室溫到高溫(工況2)。

仿真分析指出,在工況1中,門蓋的應力和變形較大,即門蓋開裂是由低溫時的收縮引起的,這與實驗結果是一致的,最大應力發生在上下門蓋的前邊緣的中間部位,與實際斷裂部位也是吻合的。

材料由ABS改為HIPS后,安全系數由2.0降低到1.3,由于HIPS更低的應力限制,最大變形也由2.8mm增加到3.3mm。再加上溫度循環累計的效應,所以門蓋會發生開裂。工程師接下去開始評估防止開裂的方法,從增加門蓋頂部表面的厚度和增加縱向和橫向加強筋開始。