【成功案例】拓撲優化和新的製造方法在農業工程中實現輕量化設計
農業機械在極端變化的條件下使用時，除了服務品質和備件的可用性之外，產品壽命是需要考慮的主要購買標準。在開發新產品時，製造商不僅要在價格上具有競爭力，還必須考慮產品的耐用性，這些方面會直接影響製造商在市場上的聲譽。
拓撲優化和新的製造方法
在農業工程中實現輕量化設計
主要看點
| 行業 | 農業機械,通用機械 |
| 挑戰 | 將原先為焊接的懸架部件,作為鑄件重新設計,同時改善重量和耐久性 |
| Altair解決方案 | 用Altair Inspire進行拓撲優化 |
| 優點 |
耐久性提高了2.5倍 重量減輕8% 降低生產成本 為使用附加模塊的客戶提供更高的靈活性 |
挑 戰
過去十年中，農業機械和相關設備通過提高地面覆蓋率使生產效率大幅提高。例如，更高的吞吐率、擴大的切割單元和更高的儲罐容量。但對於惡劣的操作條件，設備必須足夠堅固，且設計改進不得導致最終產品的價格更高。
原始焊接结構的CAE模型
除了設計空間之外，還在Inspire中定義了非設計空間區域，其中結構未被修改，例如在支撐點或員註連接處
基於先前定義的載荷和邊界
用Inspire計算最佳結構
解决方案
從焊接結構到鑄造部件
最初，Catros-2TS是一個相當複雜的焊接部件，重量為245千克，包括加入單個部件所需的總共16.5米的焊縫，這種焊接量使生產非常耗費時間和成本，而每年需要生產大約350個這種元件。
為了實現優化元件製造工藝和延長其使用壽命，Amazone工程師不僅對元件的設計進行了仔細研究，還評估了新的製造方法與拓撲優化相結合帶來的潛在好處。
優化懸架部件的仿真和鑄造技術
Amazone工程師在前期進行拓撲優化，評估使用鑄造工藝生產的部件輕量化及性能。
此外，採用模擬驅動的設計流程來消除不必要的設計反覆運算，並更快地完成最終設計。這些任務由Altair的結構求解器和優化工具OptiStruct和Inspire處理完成。
在Inspire中再次優化幾何體
與焊接結構（左）相比，鑄造結構實現了輕的重量和更平滑的結構過渡，從而減少了剛度變化。
為了優化結構，工程師們使用Altair Inspire定義了可能的設計空間和邊界條件，例如載荷、所需剛度和製造限制。還定義了結構不被修改的非設計空間區域，例如在支撐點或圓柱連接處。
通過定義和應用對稱平面進一步減少計算時間，
這有助於更快地獲得結果。通過這些輸入，軟體計算出需要多少材料以及必須放置哪個位置以滿足結構強度等要求。
從優化結果中，工程師創建了詳細設計，然後使用OptiStruct在FE分析中進行評估。
與焊接結構相比，鑄造結構實現了更輕的重量和更平滑的結構過渡，從而減少了剛度變化。與原始組件的焊縫中的載荷相比，新設計的鑄造材料的總載荷顯著降低。由於鑄件的負載特定結構，隨後的物理測試顯示耐久性增加了2.5倍，而重量減少了8%。
結 論
新的懸架部件已經投入使用，與之前的焊接結構相比，Amazone的製造成本降低了三分之一。由於鑄模的可重複使用性，模具成本很快就能攤銷。客戶可以從附加模組的更高靈活性和更長的產品壽命中受益。
目前，Amazone工程師正在利用拓撲優化和3D列印的組合，進一步優化鑄件結構和製造工藝。
Altair與其合作夥伴voxljet展示了這種方法的最佳實踐案例。在這個過程中，使用3D列印創建了一個失蠟鑄造模具，並且該元件的結構經過優化並受到自然形狀的啟發，完全符合3D列印的要求。模擬和優化運行已經結束，並且可以進一步節省約11%的重量，同時將耐久性和剛度保持在與鑄造部件相同的水準。最終成本計算仍在進行中，並且將成為Amazone決定是否將此流程用於批量生產的關鍵因素之一。
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