探索汽车塑件设计的前沿：塞拉尼斯电机支架的随机拓扑优化实例

高性能工程塑料生产商塞拉尼斯，为进一步优化电机支架的设计，应用初创公司Rafinex的Möbius软件，在保持机械性能和功能的前提下，将其重量减少了25%。

德国Tier 1汽车系统供应商爱尔铃克铃尔与塞拉尼斯的设计工程团队合作，为一家领先的欧洲豪华轿车供应商优化注塑成型的电机支架。

塞拉尼斯有非常成熟的计算机辅助工程（CAE）团队，用计算机辅助分析产品力学、传热以及成型性能等，结合分析结果和实际经验优化产品和模具设计，把产品开发加工的各个环节有机地组织起来，使其开发过程更为高效和经济。

为尝试进一步优化，塞拉尼斯决定应用一项新兴技术——随机拓扑优化，于是塞拉尼斯位于瑞士梅林的欧洲技术中心（ETC）的计算机辅助工程（CAE）团队选择了使用Rafinex的Möbius软件。

自动迭代设计

“拓扑优化”是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，是结构优化的一种。“随机最优化” 是指带有随机因素的最优化问题，利用概率统计、随机过程、随机分析等工具解决。

在本案例中，Möbius软件采用概率方法生成大量的设计方案，以确定最佳设计。该技术可以优化汽车电机支架、悬挂支架和车身面板等汽车热塑性和复合材料部件的结构设计。更神奇的是，Möbius软件的设计还能精确地满足安全要求，并能承受超出车辆行驶过程中已知的力。

在这些发动机支架前部的视图中，鲑鱼色的元件是由Möbius软件生成的，而褐色区域是原始设计。(图源：塞拉尼斯)

该软件根据一组预定义的标准评估原始设计，包括重量、强度、刚度和耐用性。然后使用性能最佳的方案来生成一组新的设计，直到确定最佳设计方案为止。根据应用及其限制和制造方法，该设计在形状上可能更有机或生物形态。

随机拓扑优化的特别之处在于它能够发现传统方法无法实现的设计和结构。该技术使工程师能够微调汽车塑料部件的设计，从而制造出更轻、更坚固、更高效的部件，在减轻重量的同时保持部件的强度，而这些部件已经被认为可以最大限度地减轻重量。

Rafinex使用SaaS提供Möbius，用户通过Intel Xeon和AMD EPYC处理器在云端上访问程序，实现高效计算。然后，Möbius应用自适应局部网格细化技术和优化算法来优化设计。

一个测试用例

为了测试该软件，塞拉尼斯在ETC的汽车团队决定运行一个由 Zytel 70G50（50% 玻璃填充尼龙 66）模制而成的现有电机支架，该支架已经通过 Möbius 进行了优化。

Rafinex 根据塞拉尼斯提供的设计空间、约束和负载情况运行优化。随后，塞拉尼斯团队评估了注塑加工性能和结构性能的最佳结果。

在这张电机支架侧面的图像中，鲑鱼色的元件是由Möbius软件生成的，而褐色区域是原始设计。

据塞拉尼斯公司技术项目经理/CAE Pieter Volgers说，工程塑料结构部件的最大挑战是用最少的材料创造出足够的硬度和坚固的设计。"传统的设计通常是基于经验和以前的发展，这段历史并不适用于新的应用，使得这些设计非常具有挑战性。因此，设计往往是'保守的'或'传统的'，排除了可能更有效的形状和解决方案。"

Volgers说，使用 Rafinex 开发的高级随机优化器增强支架的拓扑结构，使塞拉尼斯能够进行迭代设计研究，并最终推荐一种它确定可以成功注塑成型的解决方案。

塞拉尼斯为Rafinex提供了电机支架的可用设计空间，并提供了保持凸台、螺栓座/垫圈区域和孔的厚度限制的说明。垫圈的投影区域被假定为完全约束，旋转载荷矢量在ZX平面上被应用于凸台表面。

接下来，Rafinex在其Möbius软件中通过拓扑优化过程运行该模型。该过程由最大刚度的质量目标驱动。对结果和设计变体的简单视觉评估使团队相信，15%的质量目标设计最适合进一步研究。

然后将15%质量目标的Möbius结果与原始的注塑成型的肋骨设计进行了比较。在图片中，鲑鱼色的元件来自Möbius设计，而褐色区域是原始设计。

通过非线性结构分析，与传统设计得到的结果进行比较，后者包括纤维取向的影响，以及更准确的螺栓和衬套建模。这也进一步验证了 Rafinex 设计，显示出等效的结构性能。

从电机支架侧面看，鲑鱼色的元件是由Möbius软件生成的，而褐色区域是原始设计。

在团队的最终分析中，Möbius优化的设计使电机支架的体积减少了25%。随后对优化设计进行的Moldflow分析显示，通过单个浇口可以平衡地填充零件，并且注射和保压压力较低。塞拉尼斯指出，由于优化后的设计比原始版本轻 25%，因此仍有大量机会来完成形状的定型，以满足所有结构和可塑性要求，同时仍能显着减轻重量并节省成本。

实验成功后，塞拉尼斯的Volgers表示，通过在开发的早期阶段应用Möbius软件，塞拉尼斯可以迅速得出一个最佳设计形状。“该形状不仅质量可能比现有设计更轻，而且形状更自然，更新颖。”

他还指出，虽然 Rafinex 工具通过注塑成型提供了可制造的形状，但该设计可能需要稍作修改才能便于脱模。一旦在设计过程中实施，Rafinex预计每周可以用Möbius生成5到10个设计变体，包括结构有限元验证。据该公司称，这些结构有限元验证运行可以在基于浏览器的用户界面中自动准备和解决。

电机支架底部，鲑鱼色的元件是由Möbius软件生成的，而褐色区域是原始设计。

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责任编辑：Ian

排版：Ian

内容来源：翻译自PTonline

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