【成功案例】拓扑优化和新的制造方法在农业工程中实现轻量化设计

文章主要介绍了Amazone在农业机械制造中采用拓扑优化和新的制造方法实现轻量化设计的过程。Amazone使用Altair Inspire优化了原始焊接结构的CAE模型，将焊接结构转换为铸造部件，实现了更轻的重量和更平滑的结构过渡，从而减少了刚度变化。新的悬架部件已投入使用，Amazone的制造成本降低了三分之一。此外，Amazone正在利用拓扑优化和3D打印的组合进一步优化铸件结构和制造工艺。

农业机械在极端变化的条件下使用时，除了服务质量和备件的可用性之外，产品寿命是需要考虑的主要购买标准。在开发新产品时，制造商不仅要在价格上具有竞争力，还必须考虑产品的耐用性，这些方面会直接影响制造商在市场上的声誉。

拓扑优化和新的制造方法

在农业工程中实现轻量化设计

    主要看点    

    挑 战    

      过去十年中，农业机械和相关设备通过提高地面覆盖率使生产效率大幅提高。例如，更高的吞吐率、扩大的切割单元和更高的储罐容量。但对于恶劣的操作条件，设备必须足够坚固，且设计改进不得导致最终产品的价格更高。

原始焊接结构的CAE模型

除了设计空间之外，还在Inspire中定义了非设计空间区域，其中结构未被修改，例如在支撑点或圆柱连接处

基于先前定义的载荷和边界

用Inspire计算最佳结构

    解决方案    

最初，Catros-2TS是一个相当复杂的焊接部件，重量为245千克，包括加入单个部件所需的总共16.5米的焊缝，这种焊接量使生产非常耗费时间和成本，而每年需要生产大约350个这种组件。

为了实现优化组件制造工艺和延长其使用寿命，Amazone工程师不仅对组件的设计进行了仔细研究，还评估了新的制造方法与拓扑优化相结合带来的潜在好处。

Amazone工程师在前期进行拓扑优化，评估使用铸造工艺生产的部件轻量化及性能。

此外，采用仿真驱动的设计流程来消除不必要的设计迭代，并更快地完成最终设计。这些任务由Altair的结构求解器和优化工具OptiStruct和Inspire处理完成。

在Inspire中再次优化几何体

与焊接结构（左）相比，铸造结构实现了更轻的重量和更平滑的结构过渡，从而减少了刚度变化。

为了优化结构，工程师们使用Altair Inspire定义了可能的设计空间和边界条件，例如载荷、所需刚度和制造限制。还定义了结构不被修改的非设计空间区域，例如在支撑点或圆柱连接处。

通过定义和应用对称平面进一步减少计算时间，这有助于更快地获得结果。通过这些输入，软件计算出需要多少材料以及必须放置哪个位置以满足结构强度等要求。

从优化结果中，工程师创建了详细设计，然后使用OptiStruct在FE分析中进行评估。

    结 论    

新的悬架部件已经投入使用，与之前的焊接结构相比，Amazone的制造成本降低了三分之一。由于铸模的可重复使用性，模具成本很快就能摊销。客户可以从附加模块的更高灵活性和更长的产品寿命中受益。