设计仿真 | MSC Apex创成式设计让电动自动车制造商提供更轻松的骑行体验

自行车的电气化趋势给骑行运动带来了极大的社会关注，未来几年，自行车市场预计将实现高速增长。一方面，疫情促使人们更向往户外活动，另一方面，可持续发展的理念日益普及，也正在推动对环保型汽车替代品的旺盛需求。

与此同时，特种自行车概念越来越受欢迎，如三轮和四轮卧式自行车，也称为三轮车或四轮车。这种车型可以更好的利用人体工程学提供是更舒适的坐/躺姿势，这不仅是残疾人的理想选择，也是那些喜欢舒适骑行的人的理想选择。

抗扭，坚固，电机连接设计更轻的轻量化自行车设计已成为未来的发展趋势。轻巧的结构对于电动自行车来说非常重要。Krause DIMaTec和Hexagon联手为自行车制造商Xplorcycles进行设计优化、性能验证和生产制造，进而为自行车兼具更大的续航里程，更舒适的操控和更轻松的骑行提供了保障。

新一代自行车的新制造技术

自行车制造商Xplorcycles致力于生产卧式自行车，并制定了为下一代自行车配备电动机的计划。该公司现有的设计通过使用传统制造工艺将3.2公斤的电动机连接到自行车结构上，但该设计不适合小批量生产，并且增加了额外的重量。

考虑到这一点，Xplorcycles委托工业3D打印专家Krause DiMaTec研究增材制造方案。由于现有的零件设计无法实现经济高效，高质量的增材制造，Krause DiMaTec决定使用MSC Apex Generative Design软件进行零件几何形状的优化，以开发适合增材工艺的设计。这种创新的优化技术产生的仿生结构在满足零件性能需求的同时实现了结构轻量化。通过对零件进行彻底重新设计，最终在工程要求与良好工艺性之间取得了理想平衡。

环法赛段作为优化依据

为了准备重新设计模型，将发动机及其接口、自行车连接点和原始适配器的模型导入MSC Apex Generative Design软件中，我们推导出一个设计空间，在这个空间里，允许算法在仿真环境中进行材料布局。同时，软件提供的工具还可以定义非设计空间，包括自行车和发动机上的固定连接点。

为了确定负载情况，需要确定由于使用踏板而作用在电机、支架和自行车连接上的力。为了确定这些力，Krause DiMaTec的工程师们使用了2014年环法自行车赛期间自行车手Andre Greipel的载荷数据，为设计提供了一个真实的高强度载荷依据。基于这些数据，通过轴的扭矩计算出踏板上作用的力和齿轮上的链力，并将其用于优化模型。此外，Krause DiMaTec还考虑了潜在的特殊情况，例如发生碰撞时踏板两侧的组件或负载的影响。最终确定了总共17种负载情况，确保了优化设计的鲁棒性，能够应对日常使用中的各种挑战。

从0到55：快速减重

在第一次优化中，仅对底座的上部和自行车连接的底座进行了优化。这个设计中，电机的原始适配器板是组件的一部分；这种方法使重量减轻了13%。

为了进一步减轻重量，将适配器纳入下一步的优化，从而减少了部件的组装，可以带来额外的轻量化。采用这种新方法，与使用316L/1.4404不锈钢的原始设计相比，该设计的重量减轻了55%，负载下的变形减少了90%。基于应力的优化产生了均匀的应力分布，其机械可靠性明显高于原始设计。

图1：仿真结果显示整个构件的应力分布均匀，高应力区域很少(红色)。

无需组装，直接制造

只需点击几下鼠标，优化结果就会反馈到标准CAD(计算机辅助设计)交换格式(基于NURBS)中，以便在CAD/CAM(计算机辅助制造)中使用参数化功能曲面进行处理。在进入生产准备阶段 — 即确定打印方向并生成支撑结构之前，整个组件在MSC Apex Generative Design软件中进行了最终校验。

得益于Krause DiMaTec的高精度制造工艺，不需要对表面进行处理，也无需进行后处理。因此，制造的部件可以在移除与工艺相关的支撑结构后直接安装。无需额外调整，就可以通过电动机支架将电动机连接到自行车上。首次试驾表现完美无瑕，仿生设计与制造工艺均展现出卓越品质。

Krause DiMaTec GmbH总经理Johannes Tominski博士对整体项目及创成式设计软件的表现给予了高度评价：“这个开发项目令人印象深刻地展示了拓扑优化和3D打印的深度融合所能创造的附加值。除了提升机械性能外，优化设计还显著改善了电机支架的视觉观感，并为三轮车添加了一处引入注目的设计亮点。”

图2：电机支架是使用粉末基SLM（选择性激光熔化）工艺制造的。该过程所需的支撑结构可以很容易地拆除，以便立即提供即装即用的解决方案。

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