項目介紹
為應對全球變暖，世界各國都設定目標減少二氧化碳的排放。汽車工業也在為此努力，致力于提高車身結構和引擎的效率來降低排放。一個主要的方法是提高駕駛過程中的燃油效率，而使車身更輕正是達到這一目標行之有效的方法。鋼和鋁等金屬材料占了汽車的大部分重量。近年來，塑料材料被越來越多地用在車身的某些部件以減輕重量。塑料材料目前約占整車重量的9%。
Kanto Auto Works, Ltd.（Central Motor Co.,Ltd.和Toyota Motor Tohoku Corporation的合并，于2012年7月成為Toyota Motor East Japan）是豐田集團的核心成員，研發和生產豐田汽車車身。該公司的有機材料工程部評估并開發了塑料件在車身上的應用。在研發大的塑料件如儀表板的初始階段，使用CAE技術驗證零件剛度和耐熱性能。塑料明顯比金屬材料輕，也可以被塑造成復雜的形狀。但與此同時，也很容易發生變形。比如在外力下的翹曲和高溫下的熱膨脹。為了使塑料件更輕同時保證足夠的剛度和耐熱性，必須分辨出哪些區域需要改進。
挑戰
為了提高塑料件的剛度和耐熱性，Kanto Auto Works結合了CAE與真實的實驗，比如在塑料測試板上施加重量或在高溫下觀察熱膨脹。但是這些實驗結果并不足以得到一致的評價結果。因為判斷依賴于員工的經驗和實驗的完成情況。
“在查看塑料件變形率和應力的實驗結果時，員工判斷一個零件是否需要改進的能力嚴重依賴于他們的經驗，” Ayumi Sugiyama說，“不同的員工會得到不一致的評價結果，這將使得建立有效的對策變得困難。”
解決方案
Kanto Auto Works開始使用來自Altair的結構優化工具OptiStruct找出需要改進的部位。在設計流程的任何階段，OptiStruct允許用戶結合優化功能和不能單純通過實驗得到的信息去設計出全新的創新形狀。這使他們可能創造出更輕的零件，通過一些方法減少生產流程，比如決定最優材料、分辨某些部位是否需要改進、自動起筋、優化有限元模型并決定最優的板件厚度和梁結構的截面形狀等。
OptiStruct通過拓撲優化計算顯示出需要加強的部位以抵抗外力產生的變形。對于耐熱性能，首先基于塑料測試板的測試結果，通過計算確定能夠產生相應的變形的荷載。然后再用OptiStruct拓撲優化計算出需要改進的區域以獲得更好的耐熱性。
圖1 拓撲優化
“這將能夠以合理的精度預測需要增加剛度的區域是承載截面和截面周圍的區域，”Sugiyama女士說，“但是，OptiStruct顯示的易于熱變形的區域與我們的預測不同。傳統的熱變形評價方法是加強那些產生主要變形的區域，但是OptiStruct得到的結果與基于經驗的預測不同。”
基于優化結果制造了一個新的塑料測試板，測試板上需要加強的部位做的更厚，其它區域做的更薄。耐熱性測試顯示熱膨脹得到了抑制。Kanto Auto Works接受了這個對儀表板的改進方法。基于OptiStruct拓撲優化結果，這一改進方法被反復應用和評估直至達到設定的目標。
圖2 剛度和耐熱性拓撲優化結果
結論
經過這次評估，Kanto Auto Works通過改進一些可能的最小區域成功提高了結構剛度和耐熱性。同時減輕了20%的重量。
除儀表板外，Kanto Auto Works計劃擴大OptiStruct拓撲優化功能在開發大型塑料件上的應用，比如保險杠，以便更進一步地降低這些零件的重量。
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本文標題：應用拓撲優化制造更輕的塑料件
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