【成功案例】利用模擬技術突破複合材料設計挑戰－Altair Taiwan Blog

項目介紹

由於輕量化和高性能特性的要求，複合材料已經在航空航太行業使用了很多年，但是關於產品重量的要求並不局限於飛機。越來越多的汽車製造商把材料看作是最小化品質和最大化燃油經濟性的關鍵。

材料的設計是有挑戰的。尤其在模擬碰撞這樣的複雜工況時，需要考慮由複合材料的鋪層順序和纖維方向形成的大量的設計變數。而且，由此產生的材料的高費用，會導致高端運動型汽車的成本增加。

英國的汽車設計公司GordonMurrayDesign(GMD)認為複合材料可以在汽車製造方面扮演一個相當重要的角色。為了證明這一點，這家公司為使用輕量化混合材料低製造和高容量汽車開發了一個叫“iStream”的高效流程。

這個iStream流程設法降低所有與汽車開發相關的費用，從工廠研發和組裝到模具設計以及報廢。傳統製造汽車的方法是使用衝壓的鋼材來製造車身，GMD公司的革新iStream製造流程使用輕量化的複合板包圍管式金屬車架。

GMD公司將iStream作為智慧產品加以開發，提供給想要在汽車市場多元化發展的公司。但是，為了使iStream取得成功，GMD公司必須證明使用複合板的汽車結構能夠滿足嚴格的性能目標。為了達到這個目的，GMD公司開發了一系列的演示車輛，包括T.25和使用iStream理念的T.27。

挑戰

GMD公司是一個小型的、專業的、高智慧的、擁有大量工程經驗的公司。這個iStream專案需要對複合材料的性能以及精確建模予以證明其適合作為結構零件有深刻的理解。

GMD公司是AltairHyperWorks模擬技術的用戶。當這個公司在尋找模擬專家作為外部合作夥伴時，AltairProductDesign是成為最佳選擇。Altair ProductDesign結合軟體發展業務和工程諮詢服務，能夠把從專案中獲得的經驗直接應用到軟體功能和精度上。這是GMD公司做出該決定的關鍵因素。因為GMD公司把這兩個業務的相互合作看作是Altair公司區分于其它產品開發公司的關鍵因素。

解決方案

T.25演示車輛展示iStream框架

T.27利用iStream製造一輛輕量化電動汽車

高效的建模

AltairProductDesign將改進複合材料的虛擬建模以匹配物理測試的結果。

第一個任務就是為iStream建立精確的三合板材料模型。

這些複合板被認為是代替金屬的較輕的方案，同時保證強度和剛度，並且維護成本低，而且避免了腐蝕問題。

高效建模需要詳細的玻璃纖維薄片、軟核以及結合複合板和框架的結構膠粘劑。為了評估前碰和側碰時載荷的傳遞路徑，GMD公司要求Altair ProductDesign建立一個精細調教的iStream底盤CAE模型。

AltairProductDesign建議使用Altair HyperWorks對車輛結構不同零件建立由1D梁單元和殼單元組成的有限元模型，這樣大部分的建模可以由Altair的離線技術能力完成，以加速這個耗時的階段。

這種方法允許分析階段通過建立複合材料的虛擬模型直接回應設計階段，這比標準的開發流程更加簡單。這樣，不需要通過徹底的計算分析，設計方向就可以更快地被探索、控制以及評估。加速分析過程使得GMD公司可以快速研究更多不同的設計方案，並在較短時間內取得優化設計的配置。

虛擬碰撞模型和基於T.32鼻錐的iStream物理測試比較

定義材料性能

理解複合材料的性能是開發環節的一個關鍵步驟，因為在汽車行業對複合材料的掌握還沒有金屬材料那麼成熟。

一旦對零部件的材料性能的理解取得一定信心，對材料的模擬將會超越獨立的零部件，達到整個系統特性的級別。這樣，子系統和全域系統都被分析，工程師能夠查看系統受載時各個零部件之間的相互作用。

AltairProductDesign和GMD公司將會使用HyperWorks中RADIOSS求解器實施一系列的虛擬模擬測試，以定義在碰撞等多種載荷下的材料性能。

虛擬測試的實施基於對物理測試要求的理解，以確保結果可以有效地匹配，而不需要重複多次無謂的測試。

結論

隨著分析與物理實驗對標的完成，Altair ProductDesign將會繼續與GMD公司合作開發iStream結構以改進碰撞性能。高級材料的使用需要革新的設計和驗證方法，以保證高水準的安全性能。來自Altair ProductDesign和汽車開發部門的模擬專家與來自GMD公司的複合材料專家建立了高效的合作關係，這將有利於證明iStream革新流程的價值。