HyperWorks在太陽能電池板系統(tǒng)設計中的應用

2016-10-05 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

項目介紹

BillyWight在2006年從加州大學圣迭戈分校畢業(yè)并獲得機械工程學位之后,成功創(chuàng)建了Luxon Engineering產(chǎn)品研發(fā)公司。該公司憑借專業(yè)的工程技術團隊,專注于航空、汽車、能源、醫(yī)療等多個行業(yè)的機械設計和優(yōu)化問題,強調(diào)采用計算機輔助工程分析(CAE)工具驅(qū)動設計流程。他們通過HyperWorks CAE工具對產(chǎn)品進行仿真分析,幫助客戶縮短產(chǎn)品研發(fā)周期并降低生產(chǎn)成本。

“我們的主要優(yōu)勢之一是通過仿真分析優(yōu)化產(chǎn)品設計,”Wight說,“通過在生產(chǎn)物理樣機前對設計方案進行反復迭代分析的方法,已經(jīng)為我們的客戶節(jié)省了大量的時間和成本。我們幾乎在設計流程中的各個方面使用仿真技術來推動設計方案的進一步完善。我第一次接觸HyperWorks是在大學期間,如今它已是優(yōu)化及其它仿真分析的重要手段,并且成為我們主要的仿真工具。”

挑戰(zhàn)

在Luxon與一家大型工業(yè)用太陽能電池板主要制造商的合作項目(開發(fā)尺寸約為50*70英寸、可跟隨太陽轉動的電池板)中,HyperWorks表現(xiàn)出極佳的性能。該公司希望降低正在量產(chǎn)的一款產(chǎn)品的制造成本以及擴大該產(chǎn)品的使用范圍。因此,他們要求Luxon為其研發(fā)一種更加穩(wěn)健的支撐結構以確保該產(chǎn)品能夠承受世界范圍內(nèi)的地震、風載和雪載。

隨機響應研究驅(qū)動設計變更,幫助消除船舶航行時的損壞

研發(fā)初期通過系統(tǒng)級的拓撲優(yōu)化分析尋找結構中的主要傳力路徑

解決方案

Luxon利用仿真分析和優(yōu)化技術重新設計了該產(chǎn)品,不但滿足了新的設計要求,而且在性能提升的同時降低了產(chǎn)品重量和制造成本。新設計方案用到了Altair HyperWorks中的多個模塊?！拔覀儾捎?/span>HyperMesh建立分析任務中所有的有限元模型?！?/span>Wight說,“使用HyperWorks結構優(yōu)化工具OptiStruct對電池板系統(tǒng)進行線性和非線性仿真,以評估該系統(tǒng)結構的完整性”。另外,Luxon還應用了OptiStruct的拓撲、形貌及尺寸/形狀優(yōu)化功能?！拔覀兿Ｍ诓唤档拖到y(tǒng)強度的前提下盡可能減少材料使用,以降低生產(chǎn)成本?！?/span>Wight解釋道,“與此同時,我們也希望盡可能地增加結構的剛度性能。”

該產(chǎn)品由多組鏡頭構成,這些鏡頭的焦點分布在較大區(qū)域的光電池上。如果電池與鏡頭間的焦距發(fā)生改變,電池板的工作效能將下降。因此,Luxon的主要工作是增強支撐電池的面板剛度,最大限度地提高產(chǎn)品的投入產(chǎn)出比。

我們使用OptiStruct優(yōu)化電池板和驅(qū)動機構,驅(qū)動機構用于支撐整個系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)在X軸和Y軸旋轉以跟隨太陽運動?！?/span>Wight說,“我們知道驅(qū)動機構的關鍵位置,但是不確定機構中最佳的傳力路徑。為此,我們使用OptiStruct的拓撲優(yōu)化技術尋找最佳的材料分布位置并進行深入的結構分析。”

設計空間

拓撲優(yōu)化結果

分析結果

最終優(yōu)化方案

結論

Luxon應用HyperWorks出色地完成了設計目標,降低了產(chǎn)品制造成本并顯著提高仿真效率。例如,經(jīng)過拓撲優(yōu)化分析,Luxon提高了驅(qū)動機構的結構性能并且降低了8%的制造成本。新設計方案滿足了風載、雪載及地震載荷必須的結構要求。使用OptiStruct的拓撲優(yōu)化技術,Luxon重新設計了曲柄臂結構,該結構由鑄鐵組件取代了鋼焊接件,降低了38%的制造成本并實現(xiàn)了52%的結構減重。

“我們能夠大大降低產(chǎn)品的制造成本并且提高產(chǎn)品的穩(wěn)健性。因此,該產(chǎn)品可以在地球上任何地方使用。”Wight說。

他說,HyperWorks在滿足客戶低成本、高強度的產(chǎn)品需求時起到了關鍵作用。優(yōu)化過程往往不直觀。在傳統(tǒng)的優(yōu)化設計流程中,工程師設計一種結構,進行仿真分析并根據(jù)經(jīng)驗反復修改,直至達到直覺上的“優(yōu)化”。這一過程很少能夠獲得類似于OptiStruct自動產(chǎn)生的、不基于經(jīng)驗的結果。這將大大減少分析時間及精力。

Wight指出,項目期間,HyperWorks強大的功能給他們的客戶留下了深刻的印象。因此,Luxon在產(chǎn)品研發(fā)過程中盡可能使用HyperWorks。

另外,Wight表示,他正在深入應用HyperWorks。”我一直在尋找和使用這些工具的新功能。”他說,“當前,我們需要分析像太陽能電池板之類的大規(guī)模產(chǎn)品。在進行太陽能電池板(約860萬網(wǎng)格)模態(tài)頻率分析時,OptiStruct自動多級子結構特征值求解方法(AMSES)的計算效率比Lanczos方法快2.5倍,而計算結果僅有0.003%的偏差?！?/span>

Wight是HyperWorks軟件、許可管理模式及持續(xù)開發(fā)的新功能的忠實用戶。“與Altair合作過程中,最令人興奮的是該公司一直在努力開發(fā)他們的產(chǎn)品,”他說,“他們不斷發(fā)布新的解決方案(例如集成在HyperWorks中的AcuSolve)并且允許我們在同一時間使用這些方案。另外,Altair許可管理模式對我們也非常有利,因為我們需要在同一時間使用所有的功能。通過HyperWorks一體化的軟件包,我們不必單獨購買許可證。”

借助于HyperWorks,Luxon Engineering正走在仿真驅(qū)動設計的最前沿,且Luxon的客戶也因此獲得競爭優(yōu)勢。

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