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February 16, 2023
模擬設計新型輕量化線圈彈簧的運動
如果你的車輛避震系統失效，你肯定會發現。行車時會感到相當彈跳 - 就像車輛撞上路上的隆起處時一樣。輪子撞上隆起處時所造成的衝擊會使輪子彈起，駕駛員會直接感受到並承受這種衝擊力。基本上，彈簧吸收衝擊，減震器則消除此相互作用中產生的能量，以提供更穩定的行車體驗並幫助四個輪胎保持與地面接觸。這對於使用傳統或電動驅動系統的車輛來說，彈簧支撐都是一樣的重要。
在電動車中，一個線圈彈簧懸掛元件的重量可以對性能產生重大影響，所有這些都是原廠委託製造商(OEM)、一級汽車供應商和消費者的主要關注點。專門生產輕量級車輛零部件的汽車供應商Mubea Fahrwerksfedern GmbH，尋求Ansys來解決這些問題。使用模擬技術，Mubea能夠優化其側向載荷彈簧設計，以實現重量和性能的最佳化，適用於電動車懸掛應用。
對於Mubea而言，模擬是驗證及確認汽車懸掛零部件和系統，包括其獨特彈簧設計的關鍵驅動力。進行模擬的原因是，汽車使用的彈簧又稱力媒介點彈簧，主要功能在與地面平行的情況下管理載荷，因此即使是小的設計錯誤也會導致車軸損壞，而使用模擬可以很容易地預測這些錯誤。
Mubea的模擬工程師Sergej Schneider說明：「對於圓柱形線圈彈簧，在力是平行應用的情況下，設計可能仍然可以通過分析公式進行，然而，模擬除了能夠經濟及時地設計彈簧，且同時可分析受橫向力作用在各種線圈和挠度形狀彈簧的能力，這件事情至關重要。」
Ansys的模擬和優化工具，以及Ansys菁英代理商CADFEM的支持，為Mubea尋找完美輕量級零件結構的最佳設計提供了不可或缺的幫助。
在模擬環境中解開設計謎團
Mubea使用一個自家開發的應用程式GRASP-Designer來建構線圈彈簧，該程式利用非均勻有理B雲規曲線（NURBS）的數學構造。NURBS通常用於描述2D或3D中的複雜形狀，在電腦輔助設計（CAD）應用中很常見。
所需的有限元分析（FEA）涵蓋Ansys Mechanical APDL（Ansys Parametric Design Language）。為了在模擬環境中進行計算，需要將參數圓柱體的側面定義為封閉的NURBS曲面或定義外邊界的封閉曲線。代表控制網絡的控制點的加入在後台運作，實現進一步的計算。在過程中，不是所有的控制點都被釋放作為參數，而是作為直徑、偏移和傾角的重要點的摘要，這些都有助於減少模型的優化參數。
Structure and manipulation of the lateral surface body. 側表面體的結構和操作
結構和操作在UV平面上的捲曲
使用可變數量的控制點和相應數量的捲簧，可實現對圓柱體上的捲簧進行多重捲繞。在此情況下，第一個和最後一個控制點均固定，而其他控制點可以在UV平面內自由移動。 NURBs曲線的程度會影響控制點對捲簧幾何形狀的局部影響。
Ansys optiSLang中的彈簧優化
一旦彈簧被數學建模，就可以使用Ansys optiSLang引入優化技術來進行模擬和建模分析。評估不同的輸入和輸出變量有助於Mubea實現符合重量和性能期望的設計。每個挑戰都是迭代解決的，每次迭代都朝向優化解決方案前進。
在道路上，彈簧常常在車輛懸掛中的壓縮和伸展事件中遭受靜態和動態負荷，並在此過程中佔用空間。靜態負載評估基於剪應力，而動態負載評估基於損壞參數。在優化期間，建立了關於應力限制，損傷和剪應力或損傷在彈簧的特定區域內的均勻性的限制，以指導材料使用。還特別關注彈簧安裝點與整個彈簧尺寸之間的關係，以預測可能的損壞。
Mubea在optiSLang中模擬了4,000種變體，以確定最佳的最終設計方案
在上面的例子中，基於一個分析初步設計使用了一個圓柱形彈簧。使用optiSLang模擬了4,000個設計方案，以達到最終優化設計。在Mubea，通常使用optiSLang檢查4,000至6,000個設計方案，以快速有效地找到最佳方案。對於Mubea模擬工程師Sergej Schneider來說，使用Ansys optiSLang進行設計優化已經變得必不可少。
Schneider說明：「使用optiSLang進行彈簧的自動化設計已被證明是非常實用的。自動化設計在兩個方面都是令人信服的 —通過最短時間內獲得高質量的結果，以及在手動設計困難的情況下找到合理的解決方案。自動化設計的巨大優勢在於應力和尤其是損傷曲線的均質化，而這些曲線通常在手動設計中是一個巨大的挑戰。」
了解Ansys Mechanical和Ansys optiSLang如何實現精確驗證和驗證支持電動車應用的輕量級零件。