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SmartDO eNews 2016/01/20 : SmartDO 8.0新增NX CAE複材疊層自動最佳化設計模組

2016-01-20

前言

工程人員常久以來一直致力於結構強化減重,而且減重永遠不嫌太多。這就是為甚麼崴昊科技開發了SmartDO,並且為NX CAE Laminate Composite開發了複材疊層自動最佳化設計模組。

複合材料由於其優勢的單位重量強度比例,以及方便複雜曲面工件製造,已經廣泛應用於許多產品,包括國防,航太,汽車,電子消費產品與運動器材等。 將金屬鈑件轉換成複合疊層材料時,在相同強度下通常能有極為顯著的減重效果。圖1所示為複合疊層材料常見之產品應用

圖 1. 複合疊層材料常見之產品應用


複材疊層設計

複材疊層設計與一般傳統材料工件設計邏輯與方法皆不盡相同。目前的複材設計,考慮到設計製造分工之實務面,通常分為三個階段,如圖2所示。

圖 2. 複合疊層材料常見之三階段產設計


外形(Shape)的設計:通常受限於產品之造形設計考量,或是如空氣動力性能之考量,一般來說疊層設計必需符合這些要求。如果工件外形可以自由設計,一般亦可先 使用一般均質材料(如金屬)作為設計材料,建立參數化模型以進行形狀設計(Shaping)最佳化。SmartDO亦提供了穩定的自動參數優化模組,包括SmartLink for ANSYS Workbench 及SmartLink for NX CAE。

疊層分區(Layup/Ply Breakdonw):疊層之分區一般會被製造條件所限制,例如在形狀變化較大或是多個歧管相交處,通常須要獨立成一區來補強及貼片。 許多公司亦會依經驗及現有資料庫來作快速的分區。此外將工件設定為等厚度之金屬材料,再依其應力分佈做進一步分區的參考亦為常用之方法。

疊層數,使用材料及纖維角度之選取:目前一般的設計流程,多半先由等價強度之概念將厚度轉換成層數,再依局部應力之方向決定纖維排向。材料之使用多半以試誤法或經驗決定。 此方法基於結構之局部反應(local reponse)作等價設計,通常需來回數次疊代,且無法在設計同時考慮整體的結構反應。這個步驟也是目前在複材疊層設計上最難以系統化與自動化的部份。 大多數的流程及設計方法,都需要在過程由用戶檢視並輸入經驗判斷,無法同步並全自動進行設計。

以SmartDO進行複材疊層自動優化設計

崴昊科技自SmartDO 8.0開始,新開發了SmartDO/SmartLink for NX CAE Laminate Composite。此模組基於SmartDO最佳化設計求解技術,與NX CAE Laminate Composite進行整合。 用戶在NX CAE Laminate Composite中建立好結構分析之CAE模型後,只要將模型匯入SmartDO,設定以下設計條件SmartDO即可進行全自動之疊層最佳化設計:

  • 每一疊層區之最多允許層數。
  • 每一疊層區可用材料選單(由NX CAE模型中已建好之材料庫選取)。
  • 每種材料厚度。
  • 設計目標(如最小重量或成本)及限制條件(如容許應力與變型)。
  • 最大運算次數。

用戶輸入以上之設計條件,僅須按下計算按扭,SmartDO即可進行全自動之複材疊層最佳化設計。設計過程SmartDO會自動反覆呼叫NX CAE,根據用戶之定義要求進行設計驗證;用戶並可限定計算量。 計算完成後,SmartDO將提供滿足設計要求之設計,包括每區之疊層數,每層使用之材料種類及每層之纖維角度,如圖3之示意。

圖 3. SmartDO 複材疊層自動優化設計


如需要瞭解更多操作細節,可參考以下YouTube動畫聯結。以下動畫展示了如何使用SmartDO對一個簡單的結構物進行複材疊層最佳化設計。 本範例雖然為一簡單結構物,但其流程適用於其他任何複材結構物之應用設計。

Automatic Laminate Composite Optimization with SmartDO and NX CAE



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