打造更稳固的支架

作者: Kim Byeongwoo,韩国仁川Kyungshin公司设计组主管

在汽车的发动机舱中,高温和剧烈震动都非常容易造成部件故障。Kyungshin公司借助ANSYS Mechanical的拓扑优化功能,设计出了更坚硬且更轻量化的支架,从而不仅能支撑其智能接线盒,同时还可降低相关风险。拓扑优化功能可将研发时间缩短一半,同时还能延长支架的使用寿命且最大限度降低材料的成本。

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vibration fatigue simulation

“利用仿真技术,Kyungshin工程师将新支架的研发周期从六个月缩短到三个月,从而显著降低了研发成本。”

original bracket
revised bracket
基于最佳设计值的最佳支架模型

智能接线盒相当于是汽车的中枢神经系统。接线盒的PCB负责控制电力并为汽车的所有部件配电,因而它是现代化汽车至关重要的组件。由于发动机舱会产生振动和高温,因而接线盒以及用于连接接线盒和底盘的支架必须具备较高的刚度,才能防止出现破裂和振动疲劳。长期以来,支架设计通常采用构建测试法,这样做不但缓慢且成本高昂。另外,为了确保较高的刚度,工程师以前还倾向于使用不必要的材料,这就增加了原材料的成本。

为了避免发生此类过度设计问题,同时也为了研发出具有最佳尺寸且能保持必要刚度的塑料接线盒支架,Kyungshin工程师采用了ANSYS Mechanical的拓扑优化功能设计出了耐用的轻量化支架。仿真软件具备拓扑优化功能,一旦工程师指定在什么材料位置放置支架和载荷即能自动确定最佳形状。例如,执行拓扑优化功能时用户可能会发现,具有挡边和空隙空间的轻量化设计能在不采用连续的实心支架情况下生产出符合所有机械要求的支架。在本例中,为了确定最佳的支架形状、挡边形状和位置,工程师利用ANSYS Mechanical的拓扑优化功能进行了数字探索。

vibration conditions

定义振动仿真条件

 

topology optimization simulation

拓扑仿真优化区域

 

确保成功的三个步骤

在设计流程的第一步,Kyungshin工程师不仅需要定义支架在正常工况下的载荷条件,确定设计参数的裕量范围,而且还需采用拓扑优化功能并根据支架的密度分布生成初始设计。由于不能干扰发动机舱中的任何邻近部件,支架尺寸受到可用空间的限制。通过指定设计中的固定点以及由于振动而导致的加速度载荷(4.5 G),工程师定义了支架的振动仿真条件。接下来,他们采用拓扑优化功能并根据密度分布分析生成了初始支架布局。工程师探索了密度分布分别为20%、50%和80%的支架,并验证了每种情况下能够提供预期刚度的支架形状。

第二步是根据第一步所建立的50%密度分布模型进行支架形状优化。Kyungshin工程师针对每个定义的设计要素(包括左右侧支架宽度、高度、角度和中心半径)生成具有最小和最大尺寸的参数模型。然后,他们采用ANSYS optiSLang中的手动中心复合设计(CCD)算法自动执行了试验设计(DoE)仿真,以获取每个参数的最佳值,并最终设计出了用于替代旧支架的更轻量、硬度更高的支架。

bracket rib simulation workflow

支架挡边的初始布局形状

 

density distribution simulation

支架1的密度分布结果

 

最后,工程师采用振动疲劳仿真验证了所推荐最佳支架的性能。仿真可在三分钟内将振动加速度从4.5G降至3.0G,同时还可将振动频率从20–50Hz(4.5G时)的范围提升到50–200Hz(3.0G时)的范围。另外,仿真过程还需要在24小时内将温度从90摄氏度降到-30摄氏度,然后再升高到90摄氏度,才能确保支架能够承受发动机舱内的温度变化。

“通过拓扑优化功能创建的设计,使用最少量的材料即可满足所要求的机械标准,同时还能延长产品使用寿命,从而有助于确保节约成本。”

更出色的支架

振动疲劳仿真发现,最佳模型的断裂使用寿命达到2,259个工作小时,相比之下,原始支架模型的却只有1,544个小时。这意味着产品使用寿命实现了46%的巨大改进。此外,新支架的重量更轻,因为比原始的连续实心支架少用了16%的塑性材料。在上述过程中,Kyungshin工程师将新支架的研发周期从六个月缩短到三个月,显著降低了研发成本。另外,他们还采用ANSYS Workbench中运行的 ANSYS Mechanical创建了新的热-振动-疲劳仿真过程,以预测接线盒支架的断裂情况,这可用于预防性检修计划。

通过用仿真取代基于工程师经验和现有设计标准的传统方法,Kyungshin工程师将支架性能验证分析次数减少了一半,从8次锐减到4次。由于每次验证分析的费用约为5000万~1亿韩元(45000~90000美元),可谓实现了显著的成本节约。另外,他们还创建了可重复使用的模型,以便于在其基础上设计未来的各种接线盒支架。采用ANSYS拓扑优化功能创建的新模型,可提供高度灵活的设计方案,因而工程师能够在未来针对需要制造的任何其他组件对方案进行相应修改。通过拓扑优化功能创建的设计,使用最少量的材料即可满足所要求的机械标准,同时还能延长产品的使用寿命,从而有助于确保节约成本。

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