提升机械性能、降低生产成本 HyperWorks在太阳能电池板系统设计中的应用

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项目介绍 

Billy Wight在2006年从加州大学圣迭戈分校毕业并获得机械工程学位之后，成功创建了Luxon Engineering产品研发公司。该公司凭借专业的工程技术团队，专注于航空、汽车、能源、医疗等多个行业的机械设计和优化问题，强调采用计算机辅助工程分析（CAE）工具驱动设计流程。他们通过HyperWorks CAE工具对产品进行仿真分析，帮助客户缩短产品研发周期并降低生产成本。 

“我们的主要优势之一是通过仿真分析优化产品设计，”Wight说，“通过在生产物理样机前对设计方案进行反复迭代分析的方法，已经为我们的客户节省了大量的时间和成本。我们几乎在设计流程中的各个方面使用仿真技术来推动设计方案的进一步完善。我第一次接触HyperWorks是在大学期间，如今它已是优化及其它仿真分析的重要手段，并且成为我们主要的仿真工具。” 

挑战 

在Luxon与一家大型工业用太阳能电池板主要制造商的合作项目（开发尺寸约为50*70英寸、可跟随太阳转动的电池板）中，HyperWorks表现出极佳的性能。该公司希望降低正在量产的一款产品的制造成本以及扩大该产品的使用范围。因此，他们要求Luxon为其研发一种更加稳健的支撑结构以确保该产品能够承受世界范围内的地震、风载和雪载。

解决方案 

Luxon利用仿真分析和优化技术重新设计了该产品，不但满足了新的设计要求，而且在性能提升的同时降低了产品重量和制造成本。新设计方案用到了Altair HyperWorks中的多个模块。“我们采用HyperMesh建立分析任务中所有的有限元模型。”Wight说，“使用HyperWorks结构优化工具OptiStruct对电池板系统进行线性和非线性仿真，以评估该系统结构的完整性”。另外，Luxon还应用了OptiStruct的拓扑、形貌及尺寸/形状优化功能。“我们希望在不降低系统强度的前提下尽可能减少材料使用，以降低生产成本。”Wight解释道，“与此同时，我们也希望尽可能地增加结构的刚度性能。”

左图：随机响应研究驱动设计变更，帮助消除船舶航行时的损坏 

右图：研发初期通过系统级的拓扑优化分析寻找结构中的主要传力路径

该产品由多组镜头构成，这些镜头的焦点分布在较大区域的光电池上。如果电池与镜头间的焦距发生改变，电池板的工作效能将下降。因此，Luxon的主要工作是增强支撑电池的面板刚度，最大限度地提高产品的投入产出比。 

我们使用OptiStruct优化电池板和驱动机构，驱动机构用于支撑整个系统和驱动系统在X轴和Y轴旋转以跟随太阳运动。”Wight说，“我们知道驱动机构的关键位置，但是不确定机构中最佳的传力路径。为此，我们使用OptiStruct的拓扑优化技术寻找最佳的材料分布位置并进行深入的结构分析。”

曲柄臂结构拓扑优化流程

结论 

Luxon应用HyperWorks出色地完成了设计目标，降低了产品制造成本并显著提高仿真效率。例如，经过拓扑优化分析，Luxon提高了驱动机构的结构性能并且降低了8%的制造成本。新设计方案满足了风载、雪载及地震载荷必须的结构要求。使用OptiStruct的拓扑优化技术，Luxon重新设计了曲柄臂结构，该结构由铸铁组件取代了钢焊接件，降低了38%的制造成本并实现了52%的结构减重。 

“我们能够大大降低产品的制造成本并且提高产品的稳健性。因此，该产品可以在地球上任何地方使用。”Wight说。 

他说，HyperWorks在满足客户低成本、高强度的产品需求时起到了关键作用。优化过程往往不直观。在传统的优化设计流程中，工程师设计一种结构，进行仿真分析并根据经验反复修改，直至达到直觉上的 “优化”。这一过程很少能够获得类似于OptiStruct自动产生的、不基于经验的结果。这将大大减少分析时间及精力。 

Wight 指出，项目期间，HyperWorks强大的功能给他们的客户留下了深刻的印象。因此，Luxon在产品研发过程中尽可能使用HyperWorks。 

另外，Wight表示，他正在深入应用HyperWorks。”我一直在寻找和使用这些工具的新功能。”他说，“当前，我们需要分析像太阳能电池板之类的大规模产品。在进行太阳能电池板（约860万网格）模态频率分析时，OptiStruct自动多级子结构特征值求解方法(AMSES)的计算效率比Lanczos方法快2.5倍， 而计算结果仅有0.003%的偏差。” 

Wight是HyperWorks软件、许可管理模式及持续开发的新功能的忠实用户。“与Altair合作过程中，最令人兴奋的是该公司一直在努力开发他们的产品，”他说，“他们不断发布新的解决方案（例如集成在HyperWorks中的AcuSolve）并且允许我们在同一时间使用这些方案。另外，Altair许可管理模式对我们也非常有利，因为我们需要在同一时间使用所有的功能。通过HyperWorks一体化的软件包，我们不必单独购买许可证。” 

借助于HyperWorks，Luxon Engineering正走在仿真驱动设计的最前沿，且Luxon的客户也因此获得竞争优势。