当工程设计直觉难以为继时...

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了利用Altair公司开发的solidThinking Inspire工具进行产品轻量化设计和性能优化的方法。该工具结合拓扑优化和有限元分析，为工程师提供直观平台，探索材料布局和载荷路径，生成高效概念设计。相较于传统方法，其优势在于易用性和高效性，可轻松融入现有开发流程。通过实际案例，文章展示了Inspire在减轻重量、保持结构完整性、降低成本和生产时间方面的显著效果。专家亦强调其在产品开发早期阶段的重要性，有助于仿真技术的普及和应用。

借助新技术，设计工程师可以快速塑造出显著轻量化的产品结构，并更好地了解材料配置在其开发的产品中所产生的影响。

每当设计新的结构时，结构工程师都会依赖自己的直觉、经验和知识。如果面临的问题很容易解决，他们往往无需打开笔记本电脑即可很快地在脑中构思出解决方案。但如果封装空间过于复杂，并从三个维度施加多个载荷，那么在多数情况下，仅依靠工程设计直觉是远远不够的。在设计阶段就应用传统的仿真工具还为时尚早，而基于现有零件来建立初始几何构造的做法也往往收效甚微。

结构优化技术可针对某个组件生成最理想的材料布局，帮助众多制造商打造出了更完美的产品。20 世纪 90 年代初期，Altair 将拓扑优化技术引入到了计算机辅助工程(CAE) 领域。从那时起，Altair OptiStruct开始成为高工程化产品（如客机和乘用车）开发领域公认的一项关键技术。直到最近，业界企业仍必须在创建完计算机辅助设计 (CAD) 几何之后才可应用拓扑优化技术，并要求设计人员精通所要应用的有限元分析 (FEA)。

solidThinkingInspire由Altair旗下的全资子公司solidThinking 研发，是面向设计师和结构工程师开发的一款新工具。利用它所生成的结构高效概念可以轻松导出到所有主要的 CAD 软件包，进而设计成最终产品。新手用户最多仅需几个小时的培训即可掌握这款工具，而许多用户根本无需任何培训。

Inspire迅速获得众多企业的认可，并在设计部门中广泛使用。许多客户借此良机将拓扑优化技术的优势融入到产品设计中，而无需对开发流程做出激进性的改变。在Inspire生成理想的材料布局之后，设计概念将被导出到首选的CAD工具，使设计人员可以在对新零件进行标准企业验证流程（包括虚拟验证和物理验证）之前就为其创建几何构造。

轻量化设计和迭代设计

位于明尼苏达州罗索市 (Roseau) 的Polaris是著名的雪地摩托车制造商，公司设有雪地摩托车底盘结构设计小组，从事设计和测试方面的工作，专为三个不同的平台团队量身打造底盘解决方案。该小组的主管工程师Rick Kerner是团队的核心成员，负责对雪地摩托车设计进行优化。他利用两款基本FEA 工具对设计的计算机模型进行网格划分，并通过线性静态建模加以分析。

通常，要经过10到12次迭代设计才可得到令人满意的结果。Kerner 解释说，他想在达到优化目标的同时，花费更少的时间和精力。

2012年，Kerner 从网上读到一篇有关Inspire的文章，并随后向Altair做了一番咨询。他说：“当我得知 solidThinking已经包含在HyperWorks时，我意识到只要将HyperWorks升级到最新版本，就可以使用这款工具了。”

据Kerner称，他当时使用 Inspire 开发了一种新底盘，在实现几个难度较大的轻量化目标的同时兼顾了底盘的结构完整性。他利用 Inspire 构思出了载荷路径，并应用了相应的载荷工况，使该软件可以生成一个符合该底盘所有要求的设计。

然后，他将Inspire的设计生成功能与Altair OptiStruct 优化工具相结合。他使用OptiStruct对之前的底盘进行了拓扑形状分析，进而确定该工具能否在焊接管和支架组件的重量和强度方面探索出更为行之有效的解决方案。

他说：“我们利用 Inspire生成了基本的形状和工程结构，然后又使用 OptiStruct 根据可制造性要求和应力要求对形状进行了优化。”另外，工程师们还将Inspire 和OptiStruct结合使用，评估了在组件结构中以铝代钢来减轻重量的可能性。

该团队移除了锚点之外的所有钢质材料，然后利用Inspire生成了一个可使用铝质材料的形状。工程师们继而对这一形状进行了评估，确定了要在哪些位置保留钢管以及可在哪些位置应用铝质材料。

最终，该团队得以在新模型中将之前底盘结构的重量减轻了15%~20%。在以铝代钢的部位，每单位体积的重量减轻可达 35%~40%。

Kerner提到：“如今，每当Polaris需要开发新结构时，我都可以轻松使用边界条件，在其中为特定载荷工况放置设计空间。随后，我会使用 Inspire 所生成的几何进行线性静态分析，或者将这一设计空间放置到 OptiStruct 中，观察它在约束相同但应力极限增加时的效果如何。事实证明，结果非常相似，这令我更加相信从输出中看到的情况。”

他补充说道，Inspire 大大节约了设计流程中早期构思阶段所需的时间。仅需创建出设计空间，再使用相应工具得出载荷路径解决方案即可。他说：“此前，我们一般要经过10~12次的CAD和FEA迭代设计；而现在，得益 Inspire和OptiStruct，仅需进行5 ~6 次设计迭代便足够了。”

此外，借助HyperWorks 基于unit的许可系统，Kerner可以轻松开展设计流程。他说：“此系统允许我们以‘一对一’的模式交换使用其他HyperWorks工具。由于Inspire和套件内的其他工具所使用的HyperWorks Unit 相同，因此我们只要肯花时间就能研究出更多的设计方案。”

已有的雪地摩托车底盘组件设计

以上两图：利用Inspire探索出的新组件设计概念

为开发新的悬架臂总成，Polaris的设计师从已有的焊接管设计入手

设计空间定义

利用solidThinking Inspire®优化后的形状

产品开发精益求精

Key Safety Systems (KSS) 总部设于美国密歇根州斯特灵海茨市 (Sterling Heights)，一直致力于汽车被动安全系统的设计和制造。其主要产品包括安全气囊、安全带和方向盘等，广泛应用于全球 60 多个制造商所生产的300多种车型。

KSS 高级CAE工程师 Stefan Terebesi 解释说：“我们的安全系统相当复杂，必须经过高度定制化设计才能满足客户对汽车总布置的独有约束、企业特定需求以及政府相关规定。”Terebesi所在的团队专为KSS的核心工程部门和应用工程部门提供仿真服务，其研究重点是对关键的设计特征以及这些特征对整个安全系统的影响进行量化。“对于我们的企业而言，要满足客户的截止日期要求并避免不必要的下游工程成本和测试成本，快速完成评估流程和假设情景分析势在必行。我们的目标是在开发周期内消除各种可变因素，而仿真为我们实现这一目标提供了莫大的帮助。”

通过在产品开发流程中不断创新，该公司已成为全球发展最快的汽车被动安全系统供应商，能够在不断缩短设计周期的同时始终如一地交付满足或超越客户预期及行业标准的产品。

秉承这一追求，KSS开始将视线聚焦到 Inspire上，寻找这款工具在公司及其开发流程中的用武之地。由于 KSS是HyperWorks的长期客户，因此无需付出额外成本，即可通过 Altair 已获专利的按需使用软件许可系统来试用Inspire。KSS很快被Inspire技术的强大优势所折服，并迅速在其现有设计流程中采用该技术。

安全带伸缩杆的重新设计是 KSS 最早应用Inspire的项目之一。伸缩杆是至关重要的安全组件，可以启动锁止机制来防止安全带在发生撞车事故时移动。在设计这一组件时，需要考虑到一系列复杂的载荷工况和约束，并要达到使用最少材料的目标，而在KSS的现有开发流程中应用 Inspire 正是实现这一设计目标的理想之选。

借助Inspire的形状控制功能，Terebesi很快便构建出了剪切载荷工况下的伸缩杆模型。所得结果显示，设计者可以在给定的封装空间内进行拱结构设计并将加强筋加厚。设计师们继而轻松地将新的拱结构及加强筋设计属性融入到CAD模型中，并确定可以通过加工现有注塑成型模具来生成新设计。对新设计进行的后续验证表明，新设计不仅符合刚度要求，其注塑成型收缩率值也与原始设计接近。

得益于Inspire，KSS很快满足了此项目的三大关键要求。第一，伸缩杆的最大位移量成功从2 mm降至1 mm。第二，经注塑成型分析后得出的收缩率与现有产品设计的收缩率接近。第三，经组件供应商证实，利用 Inspire得出的结果只需稍作变动即可注塑成型，这不仅可以大量节省使用新工具的成本，还可以显著缩短停工时间。

Terebesi 表示：“我们所感兴趣的是，如何根据性能优化要求生成设计概念，进而借助这些概念在更短的时间内设计出性能更佳的零件。solidThinking Inspire这款工具可以迅速提出理想的零件几何形状建议，为缩短开发周期奠定了基础，同时还加深了工程师对组件结构要求的了解。”

“对我们来说，此项目可谓是大获成功。部件样式设计完成之后，我们在重量减轻上实现了25%的飞跃。借助我们从Inspire获得的快速结果，工业设计团队和工程设计团队可以更方便地共同开发新部件。”

—— BrianPleiman，Evenflo公司儿童约束团队高级项目工程师

增进沟通

总部位于俄亥俄州迈阿密斯堡市 (Miamisburg) 的Evenflo Inc.是知名的婴幼儿用品制造商，其产品种类繁多，汽车安全座椅、儿童推车系列产品、儿童增高椅、游戏床及玩具等一应俱全。该公司在设计流程中要考虑三大关键因素：安全性、易用性和成本控制。Andy Davis是Evenflo CAE部门的高级设计工程师，在从事工程设计和工业设计 (ID) 的过程中，他对如何利用方便易用的创新型产品来轻松保障儿童安全方面产生了浓厚的兴趣。在对Inspire进行了一番研究之后，他决定与儿童安全约束团队高级项目工程师 Brian Pleiman联手，共同利用Inspire对汽车座椅释放手柄进行重新设计。释放手柄是一个重要部件，用于将座椅壳固定在座椅底座或手推车上。此番重新设计的目的在于改进座椅样式并确保其易用性，同时保持成本适中。

要使用Inspire，设计团队需要具备两个条件：封装空间和释放手柄的一系列静态载荷。由于这是一个备件，因此仅需使用当前部件的简化版本即可在CAD系统中轻松创建封装空间。设计团队还使用以往数据生成了近似载荷。在构思阶段，并不需要高精确设计，因为设计方案会在公司的CAD系统中得到进一步开发，并遵照标准企业程序进行验证。

从Inspire得到的初始结果来看，将质量和材料减少30%不无可能。此外，工程团队还能够在将文件导出到CAD系统之前在Inspire中查看设计的载荷路径。在工程师们寻求对部件的方形外观加以改进时，Inspire结果提供了一个与工业设计团队进行流畅沟通的渠道，进而确保了造型与功能兼具。

最终确定设计方向之后，部件即在CAD系统中成型。接下来，系统构建了一个快速原型来进行手推车和滑车测试。Pleiman 表示：“对我们来说，此项目可谓是大获成功。部件样式设计完成之后后，我们在重量减轻上实现了25%的飞跃。借助我们从 Inspire 获得的快速结果，工业设计团队和工程设计团队可以更方便地共同开发新部件。”

Davis 说：“Inspire 非常易于掌握，能够为我们思考部件提供新的视角。”

以往产品设计

Inspire优化结果

新产品件

技术普及

CIMdataInc. 位于密歇根州安娜堡市 (AnnArbor)，其仿真与分析部门实践经理 Keith Meintjes 博士称：“Inspire彰显了solidThinking在企业开发产品方面的创新突破和深刻见解。它可以在开发流程的早期阶段便反应出材料配置对产品性能的影响。它淋漓尽致地诠释了仿真技术如何在无需详细了解基础技术的前提下即可得以普及和广泛应用。”

凭借 solidThinking Inspire，设计工程师、产品设计师和建筑师无需详细了解CAD或高级FEA知识，便可以快速而方便地创建和研究结构高效的概念设计。该软件易于学习，并可与所有主要的CAD软件包配合使用，有助于一次性设计出令人满意的结构零件，这样不仅可以降低成本、缩短开发时间，而且能够节约材料、降低产品重量。