仿真技术增强专业电动工具的开发
本文摘要（由AI生成）：
DeWalt作为高端电动工具品牌，采用CAE技术提升产品性能、质量和安全性。通过HyperMesh®、OptiStruct®等工具，在设计阶段预测优化性能结构，减少原型需求，加速产品上市。虚拟测试降低故障率和保修索赔，满足高品质标准。仿真驱动设计优化开发流程，提高效率。引入HyperWorksUnlimited® HPC产品，缩短优化时间，快速推出优质产品。DeWalt运用CAE技术与高性能计算，保持市场领先地位，展现前瞻性思维和创新承诺。
DeWalt 是Stanley Black & Decker 的电动工具品牌，在其开发持久耐用的高端专业电动工具时，CAE是一项核心元素。
第一部手持电动工具的问世距今已有100 多年，现如今工业电动工具行业已演变为充满竞争和挑战的市场。目前市场上对能够满足电力性能、质量和安全要求、同时还持久耐用的电动工具有着非常高的需求，且此需求还在日益增长。这些工具要在最恶劣的条件下使用，并且希望在几乎无需维护的情况下，可以长期工作、且无任何性能损耗。无论在全球范围还是区域范围，打造更完善电动工具的竞争都非常激烈。由于电动工具的生命周期普遍很长，因此需要尽快将新成果推向市场，从而保证客户对品牌的忠诚度，并在竞争中保持领先地位。
Stanley Black& Decker 的知名品牌 DeWalt 是工业/专业电动工具行业内的领先制造商，研发了 300 多种电动工具和设备产品以及 1000 多种电动工具相关配件，其中包括有绳和无绳电钻、电锯、电锤、磨床、槽刨、刨床、细木工板开榫机、打磨机以及激光器、发电机、压缩机和自动敲钉机等。在全球范围内，只要是销售电动工具的地方，您就能够看到 DeWalt 工具。
DeWalt 品牌有三个开发站，分别在美国、中国和德国。德国的开发站位于伊德斯坦因，主要从事 DeWalt 品牌锤钻的设计、研发和制造，能够完成从最初概念到工程设计和制造的全过程。工程师团队与伊德斯坦因开发站的锤钻设计团队展开密切合作，能够出色地完成仿真/计算机辅助工程 (CAE) 的任务。
建模: 使用HyperMesh® 开发的 Dewalt 锤钻有限元模型的详细剖面图。
分析与优化: 使用OptiStruct® 就装配和操作载荷对冲锤齿轮箱进行结构分析。
CFD 分析:使用 AcuSolve® 进行冲锤气流仿真。
冲击分析: 使用 RADIOSS® 对锤钻进行冲击转换和穿透分析。
CAE 技术提高了全球竞争力
8 年前，DeWalt的工程师迈出了关键的一步，在其建立的产品开发流程中推广了 CAE 技术的应用。在学习和早期采用阶段，CAE 技术在 DeWalt成熟的开发周期中没有得到大量的使用。从那以后，员工的专业技能和组织的信心都有了明显的提高，现在 CAE 技术已经与 DeWalt 锤钻开发流程全面集成，成为了其中的主流技术。
Stanley Black& Decker/DeWalt 德国工程师开始使用的第一个Altair CAE 工具是一款有限元前处理软件 - HyperMesh®。HyperMesh 是Altair HyperWorks® CAE 套件的一部分，用于完成网格划分和模型设置任务。后来，又相继使用了HyperWorks的其他工具，包括用于任务优化的 HyperStudy®；用于后处理的 HyperView®；还有用于解决显式和隐式有限元分析、多体动力学和流体的相关问题的 RADIOSS®、OptiStruct®、MotionSolve®和 AcuSolve®。
为了在坚持质量和性能保证的同时加快开发流程速度（尤其是针对高端的 DeWalt 产品线），Black &Decker 开始在德国 DeWalt 开发站迅速扩大 CAE 技术部门。
“公司意识到必须更多地使用虚拟开发工具，同时采用新的开发方法，基于实际经验和物理测试扩展传统实践，实现新的突破，”DeWalt 电动工具开发部全球 CAE 技术总监 Andreas Syma 说道。“随着我们面临的竞争，尤其是电锤产品方面的竞争日益严峻，以及市场尽快走向成熟所带来的巨大压力，我们需要将所有专业工具的质量标准尽可能地保持在较高水平，从这一点上来说，Stanley Black& Decker 必须改进其开发流程，”他解释说。“首先，我们需要在德国 Dewalt 锤钻的开发流程中实施先进的 CAE 方法。成功创建 CAE 方法和开发流程后，我们接下来要开始在整个 Stanley Black & Decker Inc. 中实施这些方法和流程，以便开发出不同类型的电动工具。”
如今，伊德斯坦因的 CAE 技术团队正在使用完整的 HyperWorks 套件来完成几乎所有与 CAE 相关的任务，并且还开始采用 Altair 合作伙伴联盟 (APA) 的工具，该联盟计划通过 Altair 基于 unit 的软件许可系统为 Altair 客户提供第三方合作伙伴解决方案。借助 APA，DeWalt工程师可使用 FEMFAT 和 DesignLife 完成疲劳分析过程，还可将 DSHplus 和 MotionSolve 结合使用来实现复杂液压和气动系统的联合仿真。
Symq 强调说，“至于我们为何与 Altair 展开如此广泛的合作并且大量使用其解决方案，我可以列举出三个原因。首先，Altair 具有软件许可系统 - 这在市场中确实独一无二。在许可协议下，您拥有一个许可证unit池，可以使用每个应用程序。
“第二个原因，”Syma 说，“是因为 Altair 这家公司本身。Altair 是一家真正意义上的工程设计公司。公司中大部分员工都是工程人员，与他们交谈时，我们可以深刻体会到是在和一些内行专家交谈，他们非常了解我们，知道我们的挑战和需求，可以说他们不仅是仿真技术和软件方面的专家，而且还是这方面的工程师。我们会在科隆与德国 Altair 团队定期开会，而且可以说双方在这类以技术为导向的会议中都收获颇丰。我们为他们提供关于最近测试的新产品的信息来帮助他们进一步改善软件，同时他们也会在软件使用方面向我们提供技术支持，而我们无需针对每项申请都开启新的项目，因为这些都包含在软件许可费用中。
“选择Altair 及其解决方案的另一个重要原因，”Syma 接着说道，“是Altair 可以提供整套 CAE 工具。如果您同时还选择了 Altair 合作伙伴联盟计划，那么您可以使用 HyperWorks 及其合作伙伴工具来完成几乎所有的开发任务，其中包括多物理场和联合仿真等方面。”
DeWalt 的工程师采用 Altair OptiStruct® 拓扑优化和 MotionSolve® 多体动力学分析技术，通过联合仿真来改进产品性能。采用联合仿真技术重新设计该连杆可将产品的最大应力水平降低 25%，还能减轻其重量。
自动化确保产品质量始终如一
Syma 称，HyperWorks套件常用于仿真电动工具的跌落测试 - 这是所有手持电动工具在整个服务寿命中通常都会经历的一类事件。在虚拟跌落测试中，工程师使用 HyperWorks 针对多个跌落方向简化建模、分析及结果可视化过程，以便预测跌落所造成的损伤，从而在设计阶段提早采取修正措施来最大限度地减少现场故障和保修索赔。除了跌落测试外，电动工具还需满足设定的高品质标准（例如在噪声和振动方面）。此外，它在结构上必须完好无损，同时保证用电的安全性。
通过虚拟跌落测试，工程师可以快速地发现电动工具的任何缺陷并改进其设计，直到满足所有质量方面的要求。在 CAE 工程师和设计团队的密切合作下，我们可以快速轻松地完成迭代操作，而所花费的成本和时间都要远远少于进行相同数量的物理测试。
DeWalt 工程师在其新产品开发计划的早期阶段（甚至在设计之前）就采用了 Altair 的优化技术。DeWalt 工程师在锤击机构的开发和优化过程中使用了这种俗称仿真驱动设计的方法。
锤击机构是冲锤的关键部件，融合了许多工程设计方面的技能。在 Altair 的帮助下，Syam 的团队定义了一种参数化模型 - 一种通过 Altair 变形技术创建的参数化结构网格。通过采用实验设计 (DOE) 和优化方法，工程师可以自动分析多种几何变化，从而得到实现最佳锤击机构性能的设计。
Syma 解释说：“CAE驱动型设计流程的实施真正改变了我们开发新产品的方式。它帮助我们非常快速地测试不同的设计方案，并最终找到全局最优方案。我们定义了设计空间并应用了边界条件，即载荷工况。CAE 工具还帮助我们找到最优设计方案，从而实现最佳性能。在一周内，我们可以对几百种不同的模型变化进行计算，得到上千种结果，并会自动进行后处理，从而了解我们需要在哪方面进行微调。”
将专业高性能工具的开发流程自动化的一个主要原因就是可以确保在这个市场中保持较强的竞争力。Syma 表示：“我们产品的性能一直以来都非常优异，不仅使用寿命长，而且持久耐用，功能强大。但是如果不改善产品开发流程，缩短其上市时间，竞争对手就会迎头赶上。如果想成为市场领军者，就必须应用虚拟开发工具和方法。否则就无法跻身于顶尖专业工具提供商之列。这种情况不仅仅针对冲锤产品，同样也适用于角磨机、电钻、自动敲钉机和气动扳手等产品。此外，我们推出的工具在价格方面也要具备竞争力，这就意味着我们必须加快开发速度并整合开发成本。
“由于上述原因，”Syma 接着说，“我认为 CAE 在创新型产品开发流程中，尤其在我们的行业中，变得越来越重要。因此，加强 CAE 技术的自动化应用绝对是明智之举。从长远来看，我们将可以减少样机数量。我们已经体验到这项技术在产品开发流程中缩短开发周期的效果，而且有时在做第一次开发尝试时就会得到合适的设计方案。工具上市更早，卖得就更快。这无疑将提高我们的收入，同时推动我们的成功。”
未来发展
在工业电动工具这种竞争相当激烈的市场中，虚拟开发方法和 CAE 专门技术的应用变得越来越重要。想要经济高效地开发出这些复杂产品，CAE 驱动型设计流程的实施几乎成了必经的过程。
在DeWalt 德国开发站，Stanley Black & Decker 已经看到了 CAE 工具为其开发流程带来的诸多益处，并决定立刻在其他开发站应用此方法。自去年 10 月份以来，Syma 开始正式负责管理全球所有的 DeWalt CAE 部门，将他和他的团队在德国成功开发的流程推广至 DeWalt 的其他专业高性能电动工具中。
Syma 总结道：“对我来说，Altair 提供的整套 CAE 应用程序是市面上的最佳解决方案，能够为创新型产品的开发提供强大的支持。它只通过一个许可系统，以相当高的标准满足了几乎所有的应用需求，涵盖了从前处理到优化工具和求解器再到后处理的整个过程。凭借近期部署的 Altair 全新CAE 高性能计算产品 HyperWorks Unlimited，HyperWorks 当之无愧地成为了我们组织中的最佳解决方案，能够以经济有效的扩展方式满足整个产品组合多变复杂的仿真要求。”
HyperWorksUnlimited HPC 产品提升创新力
Stanley Black& Decker (SBD) 始终在努力保持自身的竞争性优势，并致力于以更快的速度向市场中提供性能更佳的产品。作为行业领导者的 SBD 意识到，想要实现这些目标，一种可行的方法是在早期设计阶段充分利用基于仿真的优化技术。通过在高性能计算 (HPC) 平台上运行仿真软件，工程师可以同时测试数百种设计方案，并获得有关产品性能、耐用性、成本和重量的新信息。
SBD 之前一直使用工作站运行 LS-DYNA，优化的运行时间在三周左右。但这一运行时间不足以让 SBD 保持竞争优势 - 他们的目标是在一个周末（即不到三天）内完成任务。
SBD 深知，他们需要更高性能的计算机来帮助其达到目标，但是对于投资购买更多的硬件和计算核，大家都犹豫不定。公司一方面担心使用 HPC 资源会产生额外的成本，另一方面的顾虑在于复杂的 HPC 系统是否难以维护和支持，以及必要的软件许可是否能够与这一硬件完美配合，并达到较高的利用率。
SBD 获得了三个领先 HPC 硬件提供商的投标，但其所提供的解决方案并不能打消公司在成本和 HPC 系统复杂度方面的顾虑。随后，SBD 对 Altair 提供的私有云计算解决方案 HyperWorksUnlimited® 进行了审查。此一站式产品包括预配置的 HPC 硬件和软件，以及所有 HyperWorks 应用程序和用于管理 HPC 工作负载的 PBS Works 的无限制使用权限。
SBD 团队进行了一次基准研究，结果表明，Altair 的 RADIOSS 和 HyperStudy 组合在准确性和性能方面等同于他们目前正在使用的 LS-DYNA/optiSLang 解决方案。SBD 随后选择了 160 核的 HyperWorks Unlimited 解决方案，Altair 仅在几天之内便进行了这套系统的交付和安装。
HyperWorksUnlimited 的诸多优势包括：
• 完备的CAE 套件，其中包含快速且强大的求解器
• 由Altair 进行全面管理的预配置式 HPC 系统
• 与传统的单独购买硬件或软件相比，可节省大量成本
现在，SBD充分利用 HyperWorks Unit 来无限制地使用产品中的所有 HyperWorks 和PBS Works 软件，并获得了大规模虚拟拓展的能力。通过租用 HyperWorksUnlimited 产品，SBD 还将 HPC 投资从资产性开支转变为经营性开支。除此之外，SBD 还将供应商名单缩小至一家：无论是硬件或软件，还是整个合同存续期间从部署到后续维护和支持的各类服务，Altair 始终会提供全方位支持。
