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柴油发动机支架如何做到成本节约和性能优化?

导读: 近日,一群来自康明斯巴西公司、巴西圣保罗大学理工学院、加拿大奥什瓦安大略大学理工学院的工程师对增材制造的设计自由度进行了探索,用以提升柴油发动机的结构性能。

激光增材制造专家Stéphanie Giet将为我们介绍柴油发动机支架的设计案例。面向增材制造的重新设计,在减轻重量、优化性能和降低生产成本方面发挥了重要作用。近日,一群来自康明斯巴西公司、巴西圣保罗大学理工学院、加拿大奥什瓦安大略大学理工学院的工程师对增材制造的设计自由度进行了探索,用以提升柴油发动机的结构性能。针对这些拥有多个特定性能的部件,在概念论证中涉及到了一种新的设计方法,结果表明,该团队成功地做到了重量最小化,并且优化了性能、降低了制造成本。

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柴油发动机支撑架的优化模型。全新的结构形态,在减轻重量、减少材料使用的基础上,能够针对分析得出的负载量给出相应的支撑。

增材制造和拓扑优化:天然的结合

增材制造几乎可以成形任意形状的部件,面向增材制造的设计过程中,让设计师可以专注于部件内部功能的组合,例如优化重量与性能比。增材制造可能是与拓扑优化最天然匹配的一种制造方法,它可以选择性地将根据零件功能来进行材料分布。在传统制造中,几何形状越复杂,成本就越高,但在增材制造中,形状的复杂性几乎不用考虑,优化可以减少材料使用、减少重量和成本。

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对可设计部分进行的重新设计流程方案。增材制造在复杂形状制造上的天然优势,很容易将拓补优化方案纳入流程中。当然也不是所有的机械系统的部件都适于增材制造,因此,通过设计分析来确定增材制造可以带来最大的效益是很有必要的。

如何做一个面向增材制造的成功设计?

“成功”意味着,这种设计/重新设计应该带来科技和经济效益,比如:(A)降低制造成本——也许是通过简化装配或者减少一些大的投入,像部分特定的工具;(B)增加生产运作效益,通过降低成产成本、提高性能或者提供一些独特的性能。在汽车工业中,对低成本、可靠、耐用、轻质零部件的需求正推动着工程师和研发人员重新评估部件设计,柴油发动机支架——一个传统机械加工出的金属结构,是用来验证重新设计的不错的选择。

如何进行设计分析?如何选择合适的增材制造技术?

在重新设计之前越早确定要选择的增材制造技术越好,因为这涉及到最初的设计规则。在金属增材制造中,选择性激光融化(SLM)属于粉床熔化的分类,被称为直接金属激光融化,该技术以其基本机制命名。该过程依赖于用一个细微的激光束在粉末床上连续的层中进行扫描,选择性地熔化复杂轨道,最终的部件来源于融化粉末的凝固。高精度的优势是SLM往往被用于精细、复杂部件成形的原因,所以柴油机支架的制造也选择了这种技术。

相对于传统的减材制造,SLM的优势体现在以下四个方面:

形状的复杂性:SLM可以制造任意的实体形状,可以实现经济的小批量制造,轻松定制和优化几何形状;高精度:材料是用一个精细的激光束,逐点、逐层处理;层次的复杂性:拥有足够精度的机器,意味着可以一次性完成复杂、多层次的多尺度结构设计和制造,精度从0.1至10mm不等;功能的复杂性,几何形状的灵活性:可以将多种功能集成到一个部件上来,以往则需要制造多个部件。

柴油发动机支架及其运作环境

在内燃机中,发动机支架是负责保持动力系统的部件,除了发动机以外,它还包括传动系统和配件,将动力传送系统与车辆底盘相连接。而发动机支架紧密相关的是冷却驱动系统,它由三个滑轮组成:驱动器滑轮与曲柄轴鼻部连接,中间滑轮对系统传送带施加压力,动滑轮则用于驱动风扇。然后,柴油发动机支架与中间滑轮之间锚定。

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冷却系统部件

包含三个滑轮的冷却系统,增材制造重新设计的过程要考虑到该系统与发动机支撑架锚定时产生的负载。整个部件围绕零件的两个独立功能进行拓扑优化的,既连接了动力传动系统和底盘,又支撑着中间的压力滑轮。

融合式设计:兼顾SLM技术和拓补优化

尽管有成功的SLM重新设计案例作为借鉴,相应的专有规则仍然缺乏,需要进一步探讨。 大多数这样的规则目前主要由用户内部开发,并且被他们视为重要的商业化优势。 同样关键的还有增材制造设计的工作流程,要保证可以进行高效的重新设计,并且实现拓扑优化与设计制造的无缝对接。
这一工作流程必须从以下几个方面着手:

准确了解组件的标准和开发要求

了解/考虑SLM技术的优势和限制所在

在设计阶段就要考虑后处理技术

确定制造时间和成本范畴

对发动机支撑架的要求主要是在承重方面。为了确定优化过程中要设置的负载值,要把车辆模型放在特殊轨道中进行测试。通过动力系统中的加速度监测仪,可以随时记录车辆运行的加速度状况。

全新的柴油发动机支撑架模型(蓝色部分),以及与之连接的中间压力齿轮。与压力齿轮精准对接是它的一个关键功能。也可以通过其他方式获得相关负载值。 与冷却系统相关的轮毂,可以通过商业化软件得出其负载大小和方向的相关数值,其中会考虑到传送带的材料,功率消耗与发动机转速的对比曲线,以及汽车的占空比等。夹紧载荷这使用超声波装置测量。

基于数据形成气缸腔、螺栓和中间压力滑轮的有限元模型,然后就可以开始结构数学优化的迭代计算过程。有限元网格设计可以在得出数据的基础上,帮助发动机支撑结构实现拓补优化

突破设计局限,利用增材制造实现部件性能优化

在这种分析的过程中,最关键的是认识到增材制造在设计灵活性上的限度。这种灵活性允许设计师专注于利用拓扑优化技术来提升部件功能。在已知施加载荷、边界条件和设计体积,求解器可以得出某个结构部件的最佳材料使用量和材料分布。

然而,设计师和工程师们往往为了确保一个可用于制造的方案,在拓扑优化问题上过度束手束脚。这种做法容易造成浪费,并且可能无法充分发挥增材制造的自由设计优势。了解其增材制造的优势所在,并不断去突破设计上的限制,才能真正利用增材制造最大化地挖掘部件制造的竞争力。

关于作者

Stéphanie Giet,激光增材制造专家。对整个增材制造流程链(如设计、流程开发和生产准备)有深刻的理解和丰富的应用开发经验。她目前在为一家位于英国的激光粉末床熔融技术制造商工作。

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