采用Tosca Structure优化软件设计轻量化零部件
2023-07-18 16:15:37 来源：迅利科技
随着全球汽车产业努力提高燃油效率、满足日益严格的 二氧化碳排放标准，汽车工程师正想方设法通过一切可 能的途径来减轻汽车重量。
总部位于瑞士的高性能汽车铸件生产商和开发商 Georg Fischer Automotive AG就是这么做的。作为 每年消耗60多万公吨铁、铝、镁用于1亿多铸件的主要 供应商，该公司正通过设计、材料和流程改进积极应对 重量问题。 轻量化战略的优势是显而易见的，也符合公司的“可持 续交通运输”主旨。美国能源部报告指出，汽车重量减少 10%，就能将燃料经济型提升6到8个百分点。
用SIMULIA Tosca Structure开展设计减重
对GF Automotive来说，底盘零部件开发的一个重要部 分就是采用现代化仿真与优化手段。该公司的工程师多 年来一直采用计算机辅助工程（CAE）工具，大幅缩短了 开发时间，并提高了产品质量。公司目前凭借优化软件包 SIMULIA Tosca Structure的拓扑和形状优化模块来减 轻零部件重量，同时确保产品符合所需的负载要求。
减轻零部件重量需要在产品开发过程中采用整体 方 法，结 合工 程 专 业 技 术 和 计 算 机 工作 方 法 。FEDESIGN（2013年5月以来纳入达索3DEXPERIENCE 旗下的SIMULIA品牌）的Tosca™Structure是一款灵 活的模块化软件系统，支持非参数结构优化。采用的方法 包括拓扑、形状和起筋优化，并结合业界标准的有限元分 析求解器。GF Automotive在各种不同项目中采用该软 件，在设计中努力减轻汽车重量。
优化转向节：尽可能轻，但要确保安全
在汽车悬挂系统中，转向节连接车轮和其他悬挂组件（ 图1）。GF Automotive工程师为了减轻转向节的重 量，同时保证结构的强劲和安全，他们采用了Tosca™ Structure软件进行优化。
GF Automotive的前产品开发项目工程师Roman Brauner指出：“通过采用Tosca，我们能让设计方案最符合承载 要求，确保铁铸件和轻型金属铸件满足轻量化和缺口应力 不敏感。”
成功开展大规模（系列）设计的关键起点就是先定义适 当的设计空间。对转向节来说，这包括兼顾轴、轮和悬挂 总成等动力学要求。零部件的产品规范随后转变为分析 中的力学要求。
Tosca Structure拓扑模块是减重优化的第一步。优化后 形成轻量坚固的概念设计，同时考虑到所有负载和过载 情况，这对转向节这种动态承载的组件而言至关重要。随 后用软件的形状优化模块通过修改零件表面几何再额外 减少100克重量。
兼顾批量生产的可制造性和材料选择
对GF Automotive这样高度依赖于铸造技术的供应商 来说，拓扑和形状优化十分适用于他们的生产方式，因 为这种技术具有内在的设计自由度。铸件的灵活性能实 现经优化的轻量设计零部件的高效批量生产，而且确保 高质量。
优化工艺的好处很多。举例来说，新设计理念能从Tosca™ Structure方便地引入CAD模型，几乎无需额外 的解读。
Tosca™ Structure的全面自动化优化进程也能快速产 生成果。就转向节而言，软件帮助工程师方便地获得适 合生产要求的设计方案，考虑到所有的关键生产流程和 步骤，包括脱模方向和机械精整加工钳夹点等都包含在 优化设置中。
选择性地整合改进设计与适当的材料以及修改后的生产 工艺能够进一步产生价值。GF Automotive内部开发 的新型铸铁SiboDur材料提供更好的失效、拉伸载荷* 和疲劳强度等属性。有了这些属性，更轻量化的优化设 计符合部件的所有安全要求。
Brauner指出：“除了铝之外，创新型铸铁材料也是未来 发展趋势。无论如何，我们的目标是仅用所需的最少材 料就满足组件的安全要求。”
部件减重32%，降低了二氧化碳排放，并 赢得了奖项
从优化结果看（图2），初始重量为4.39公斤（9.7磅）的 转向节现在重量为2.98公斤（6.6磅），减轻了32%。由 于每个底盘需要两个零件，所以单车减重可达2.82公斤 （6.2磅）。考虑到组件预计要装在160万辆车上，仅该 组件使用寿命内就能减少1.26万吨二氧化碳排放。
新的轻量化转向节自2012年开始大规模生产实施。大 众将其用于MQB平台，如高尔夫七代 和奥 迪A3等车 型。该设计还得到著名的ÖkoGlobe环保奖下的原材 料、材料和工艺优化门类奖，该奖表彰交通领域的可持 续先驱性创新成果。
*拉伸强度：材料承受拉力不被破坏，表现为材料不被拉 断的最大张力。
疲劳强度：材料在给定应力循环下保持不破损能承受的 最大应力。
GF Automotive AG—积极打造更轻的未来
Georg Fischer Automotive AG隶属Georg Fischer AG旗下，总部位于瑞士沙夫豪森，是深受汽车行业信赖 的一家知名开发和批量生产合作伙伴，在德国、奥地利和中 国等三国建有10处生产地点厂。公司的核心业务是开发生 产深受汽车产业及有关供应商欢迎的铁、铝和镁铸件。GF Automotive多年来一直为减重和轻量化开展研发设计，积 极推进二氧化碳减排和高效油耗
总部位于瑞士的高性能汽车铸件生产商和开发商 Georg Fischer Automotive AG就是这么做的。作为 每年消耗60多万公吨铁、铝、镁用于1亿多铸件的主要 供应商，该公司正通过设计、材料和流程改进积极应对 重量问题。 轻量化战略的优势是显而易见的，也符合公司的“可持 续交通运输”主旨。美国能源部报告指出，汽车重量减少 10%，就能将燃料经济型提升6到8个百分点。
用SIMULIA Tosca Structure开展设计减重
对GF Automotive来说，底盘零部件开发的一个重要部 分就是采用现代化仿真与优化手段。该公司的工程师多 年来一直采用计算机辅助工程（CAE）工具，大幅缩短了 开发时间，并提高了产品质量。公司目前凭借优化软件包 SIMULIA Tosca Structure的拓扑和形状优化模块来减 轻零部件重量，同时确保产品符合所需的负载要求。
减轻零部件重量需要在产品开发过程中采用整体 方 法，结 合工 程 专 业 技 术 和 计 算 机 工作 方 法 。FEDESIGN（2013年5月以来纳入达索3DEXPERIENCE 旗下的SIMULIA品牌）的Tosca™Structure是一款灵 活的模块化软件系统，支持非参数结构优化。采用的方法 包括拓扑、形状和起筋优化，并结合业界标准的有限元分 析求解器。GF Automotive在各种不同项目中采用该软 件，在设计中努力减轻汽车重量。
优化转向节：尽可能轻，但要确保安全
在汽车悬挂系统中，转向节连接车轮和其他悬挂组件（ 图1）。GF Automotive工程师为了减轻转向节的重 量，同时保证结构的强劲和安全，他们采用了Tosca™ Structure软件进行优化。
GF Automotive的前产品开发项目工程师Roman Brauner指出：“通过采用Tosca，我们能让设计方案最符合承载 要求，确保铁铸件和轻型金属铸件满足轻量化和缺口应力 不敏感。”
成功开展大规模（系列）设计的关键起点就是先定义适 当的设计空间。对转向节来说，这包括兼顾轴、轮和悬挂 总成等动力学要求。零部件的产品规范随后转变为分析 中的力学要求。
Tosca Structure拓扑模块是减重优化的第一步。优化后 形成轻量坚固的概念设计，同时考虑到所有负载和过载 情况，这对转向节这种动态承载的组件而言至关重要。随 后用软件的形状优化模块通过修改零件表面几何再额外 减少100克重量。
兼顾批量生产的可制造性和材料选择
对GF Automotive这样高度依赖于铸造技术的供应商 来说，拓扑和形状优化十分适用于他们的生产方式，因 为这种技术具有内在的设计自由度。铸件的灵活性能实 现经优化的轻量设计零部件的高效批量生产，而且确保 高质量。
优化工艺的好处很多。举例来说，新设计理念能从Tosca™ Structure方便地引入CAD模型，几乎无需额外 的解读。
Tosca™ Structure的全面自动化优化进程也能快速产 生成果。就转向节而言，软件帮助工程师方便地获得适 合生产要求的设计方案，考虑到所有的关键生产流程和 步骤，包括脱模方向和机械精整加工钳夹点等都包含在 优化设置中。
选择性地整合改进设计与适当的材料以及修改后的生产 工艺能够进一步产生价值。GF Automotive内部开发 的新型铸铁SiboDur材料提供更好的失效、拉伸载荷* 和疲劳强度等属性。有了这些属性，更轻量化的优化设 计符合部件的所有安全要求。
Brauner指出：“除了铝之外，创新型铸铁材料也是未来 发展趋势。无论如何，我们的目标是仅用所需的最少材 料就满足组件的安全要求。”
部件减重32%，降低了二氧化碳排放，并 赢得了奖项
从优化结果看（图2），初始重量为4.39公斤（9.7磅）的 转向节现在重量为2.98公斤（6.6磅），减轻了32%。由 于每个底盘需要两个零件，所以单车减重可达2.82公斤 （6.2磅）。考虑到组件预计要装在160万辆车上，仅该 组件使用寿命内就能减少1.26万吨二氧化碳排放。
新的轻量化转向节自2012年开始大规模生产实施。大 众将其用于MQB平台，如高尔夫七代 和奥 迪A3等车 型。该设计还得到著名的ÖkoGlobe环保奖下的原材 料、材料和工艺优化门类奖，该奖表彰交通领域的可持 续先驱性创新成果。
*拉伸强度：材料承受拉力不被破坏，表现为材料不被拉 断的最大张力。
疲劳强度：材料在给定应力循环下保持不破损能承受的 最大应力。
GF Automotive AG—积极打造更轻的未来
Georg Fischer Automotive AG隶属Georg Fischer AG旗下，总部位于瑞士沙夫豪森，是深受汽车行业信赖 的一家知名开发和批量生产合作伙伴，在德国、奥地利和中 国等三国建有10处生产地点厂。公司的核心业务是开发生 产深受汽车产业及有关供应商欢迎的铁、铝和镁铸件。GF Automotive多年来一直为减重和轻量化开展研发设计，积 极推进二氧化碳减排和高效油耗
上一篇： 3D设计软件3DEXPERIENCE CATIA的亮点
下一篇： CATIA软件通过数据联通开展协同
