应用拓扑优化制造更轻的塑料件

项目介绍

为应对全球变暖，世界各国都设定目标减少二氧化碳的排放。汽车工业也在为此努力，致力于提高车身结构和引擎的效率来降低排放。一个主要的方法是提高驾驶过程中的燃油效率，而使车身更轻正是达到这一目标行之有效的方法。钢和铝等金属材料占了汽车的大部分重量。近年来，塑料材料被越来越多地用在车身的某些部件以减轻重量。塑料材料目前约占整车重量的9%。

Kanto Auto Works, Ltd. （Central Motor Co., Ltd.和Toyota Motor Tohoku Corporation的合并，于2012年7月成为Toyota Motor East Japan）是丰田集团的核心成员，研发和生产丰田汽车车身。该公司的有机材料工程部评估并开发了塑料件在车身上的应用。在研发大的塑料件如仪表板的初始阶段，使用CAE技术验证零件刚度和耐热性能。塑料明显比金属材料轻，也可以被塑造成复杂的形状。但与此同时，也很容易发生变形。比如在外力下的翘曲和高温下的热膨胀。为了使塑料件更轻同时保证足够的刚度和耐热性，必须分辨出哪些区域需要改进。

挑战

为了提高塑料件的刚度和耐热性，Kanto Auto Works结合了CAE与真实的实验，比如在塑料测试板上施加重量或在高温下观察热膨胀。但是这些实验结果并不足以得到一致的评价结果。因为判断依赖于员工的经验和实验的完成情况。

“在查看塑料件变形率和应力的实验结果时，员工判断一个零件是否需要改进的能力严重依赖于他们的经验，” Ayumi Sugiyama说，“不同的员工会得到不一致的评价结果，这将使得建立有效的对策变得困难。”

圆角矩形: “OptiStruct计算结果精确指出了哪些区域需要改进，使得更轻、更薄的零件在现有的成型条件下可以制造出来，这意味着全部的零件现在可以更轻。”Ayumi SugiyamaManager Yoshio Sugimoto

解决方案

Kanto Auto Works开始使用来自Altair的结构优化工具OptiStruct找出需要改进的部位。在设计流程的任何阶段，OptiStruct允许用户结合优化功能和不能单纯通过实验得到的信息去设计出全新的创新形状。这使他们可能创造出更轻的零件，通过一些方法减少生产流程，比如决定最优材料、分辨某些部位是否需要改进、自动起筋、优化有限元模型并决定最优的板件厚度和梁结构的截面形状等。

OptiStruct通过拓扑优化计算显示出需要加强的部位以抵抗外力产生的变形。对于耐热性能，首先基于塑料测试板的测试结果，通过计算确定能够产生相应的变形的荷载。然后再用OptiStruct拓扑优化计算出需要改进的区域以获得更好的耐热性。

图1 拓扑优化

“这将能够以合理的精度预测需要增加刚度的区域是承载截面和截面周围的区域，”Sugiyama女士说，“但是，OptiStruct显示的易于热变形的区域与我们的预测不同。传统的热变形评价方法是加强那些产生主要变形的区域，但是OptiStruct得到的结果与基于经验的预测不同。”

基于优化结果制造了一个新的塑料测试板，测试板上需要加强的部位做的更厚，其它区域做的更薄。耐热性测试显示热膨胀得到了抑制。Kanto Auto Works接受了这个对仪表板的改进方法。基于OptiStruct拓扑优化结果，这一改进方法被反复应用和评估直至达到设定的目标。

需要加强以提高刚度的地方 需要加强以提高耐热性的地方
图2 刚度和耐热性拓扑优化结果

结论

经过这次评估，Kanto Auto Works通过改进一些可能的最小区域成功提高了结构刚度和耐热性。同时减轻了20%的重量。

除仪表板外，Kanto Auto Works计划扩大OptiStruct拓扑优化功能在开发大型塑料件上的应用，比如保险杠，以便更进一步地降低这些零件的重量。