項(xiàng)目介紹

    安全是開發(fā)兒童座椅的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)，汽車兒童安全座椅市場專家Dorel Juvenile領(lǐng)導(dǎo)設(shè)計(jì)了一款全新的安全座椅——Maxi-Cosi雙向調(diào)節(jié)座椅。為了調(diào)查分析最適宜的設(shè)計(jì)方案，并考慮現(xiàn)實(shí)事故中的沖擊力，Maxi-Cosi求助于Code Product Solutions公司，這是一家通過CAE技術(shù)為客戶提供產(chǎn)品開發(fā)和優(yōu)化的工程咨詢與服務(wù)公司。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，Code Product Solutions公司的工程師應(yīng)用了全套Altair HyperWorks CAE模塊，包括RADIOSS®碰撞仿真，OptiStruct®計(jì)算塑料部件中傾斜系統(tǒng)的高應(yīng)力區(qū)，HyperMesh®前處理，HyperGraph®和HyperView®后處理。

    除了HyperWorks之外，Code Product Solutions公司還應(yīng)用了Altair PBS ProfessionalTM，這是一個(gè)商業(yè)級的高性能作業(yè)調(diào)度和資源管理平臺。如此可以實(shí)現(xiàn)MADYMO假人模型與RADIOSS和Moldflow聯(lián)合仿真。TASS的MADYMO假人模型來自Altair合作伙伴聯(lián)盟（APA）的TASS，APA通過共享HWU許可證的模式，在不增加Altair客戶企業(yè)成本的同時(shí)，提供了廣泛的第三方解決方案。通過Altair的技術(shù)解決方案，Code Product Solutions公司的工程師在完成設(shè)計(jì)需求的同時(shí)大大降低了研發(fā)時(shí)間和成本。

    Harold van Aken負(fù)責(zé)帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)在這個(gè)項(xiàng)目中進(jìn)行虛擬開發(fā)和碰撞仿真。Code Product Solutions是一個(gè)工程和咨詢公司，通過應(yīng)用Altair HyperWorks模塊等CAE工具為企業(yè)客戶提供產(chǎn)片的研發(fā)和優(yōu)化。這家公司的宗旨是成為一個(gè)值得信賴的合作伙伴，使產(chǎn)品研發(fā)更加高效化，幫助客戶節(jié)約研發(fā)時(shí)間和成本，并保證產(chǎn)品的綜合性能。

    工程服務(wù)和咨詢提供了例如設(shè)計(jì)、材料、產(chǎn)品工藝等方面的開發(fā)建議。很多公司在產(chǎn)品研發(fā)的后期才進(jìn)行仿真分析，但當(dāng)產(chǎn)品基本成型時(shí)再去修改成本會很高。Code Product Solutions公司在研發(fā)的設(shè)計(jì)階段早期就進(jìn)行仿真分析，在設(shè)計(jì)決策提出之前就針對產(chǎn)品的重量和性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

挑戰(zhàn)

    項(xiàng)目的初始目標(biāo)是基于Maxi-Cosi的已有產(chǎn)品FamilyFix座椅進(jìn)行修正，這樣可以直接添加向后放置座椅的功能。很多國家都制定了兒童乘客強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，并且通過法律明確了不同年齡、體重和身高的兒童座椅規(guī)范。

    通常規(guī)范被分為三個(gè)階段：對于剛出生的嬰幼兒，需要使用向后朝向的嬰兒座椅；對于幼齡兒童應(yīng)當(dāng)使用向前朝向的兒童座椅；對于年齡再大一些的兒童，應(yīng)當(dāng)使用輔助軟墊。設(shè)計(jì)的最大挑戰(zhàn)在于雙向調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)要求以及減小和修改包裝空間帶來的載荷增加。尤其是向前朝向工況的支撐柱需要很大的結(jié)構(gòu)改變。van Aken表示：“憑借我們在注塑成型設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、材料選擇方面的豐富經(jīng)驗(yàn)以及HyperWorks數(shù)值分析的領(lǐng)先技術(shù)，這些工程上的挑戰(zhàn)才被克服。”

    嬰幼兒的座椅要求向后朝向，這是因?yàn)檫@種坐姿可以減少正面碰撞對嬰幼兒的傷害。新生兒和嬰兒在沒有支撐時(shí)還不足以很好的控制他們的頭部，在碰撞發(fā)生時(shí)尤為明顯。

    Dorel Juvenile認(rèn)為應(yīng)該在這個(gè)項(xiàng)目中執(zhí)行最新的歐洲兒童安全座椅標(biāo)準(zhǔn)I規(guī)范，這需要融合更多的設(shè)計(jì)功能以及附加的相關(guān)設(shè)計(jì)要求，因此這個(gè)商業(yè)案例幾乎對兒童安全座椅進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。

圖1 MaxiCosi 2wayfamily兒童座椅系統(tǒng)提供了兩種放置方式

圖2 向前和向后兩種坐姿下HyperWorks正面碰撞模擬

圖3 2wayFix&2wayPearl產(chǎn)品，后朝向坐姿正面碰撞仿真

圖4 力學(xué)耦合和注塑仿真的調(diào)節(jié)機(jī)制

圖5 最新的兒童安全座椅首次滿足新的歐洲I標(biāo)準(zhǔn)的座椅安全準(zhǔn)則

解決方案

    Dorel Juvenile和Code Product Solutions公司的緊密合作以及通過CAE驅(qū)動設(shè)計(jì)使得重新設(shè)計(jì)座椅底座的開發(fā)流程更加高效。得益于Altair的HyperWorks CAE解決方案中的虛擬碰撞實(shí)驗(yàn)?zāi)�塊，在設(shè)計(jì)流程中無需物理樣機(jī)和中間設(shè)計(jì)的物理測試，并且工程師在詳細(xì)設(shè)計(jì)的第一階段就得到了正確的設(shè)計(jì)方案。

    Dorel Juvenile創(chuàng)新技術(shù)經(jīng)理Peter Stokman證實(shí)Code Product Solutions公司的仿真結(jié)果有助于2wayPearl兒童安全座椅的設(shè)計(jì)。”

    van Aken表示：“最初的CAD模型由我們CAE供應(yīng)商的CAD系統(tǒng)建立，接下來的網(wǎng)格模型由HyperMesh建立。HyperMesh在這個(gè)項(xiàng)目中的最大優(yōu)勢是中面網(wǎng)格建模的能力，尤其在碰撞模型中最為明顯。碰撞模型在我們的兒童座椅顯式分析標(biāo)準(zhǔn)化求解器 RADIOSS中進(jìn)行計(jì)算。”HyperCrash用來進(jìn)行模型檢查，假人模型定位和安全帶的纏繞。為了充分發(fā)揮工程設(shè)計(jì)的能力，Code Product Solutions公司應(yīng)用了一套自身設(shè)計(jì)的軟件，這套軟件可以自動建立給定模型的12個(gè)設(shè)計(jì)工況下仿真載荷步。工程師只需要導(dǎo)入不同的座椅模型視角，軟件自動建立碰撞模型的載荷工況，從而采用RADIOSS進(jìn)行仿真分析。

    這是Code Product Solutions公司應(yīng)用RADIOSS進(jìn)行復(fù)雜碰撞模型分析的標(biāo)準(zhǔn)化軟件。

    并且，HyperView的自動生成報(bào)告工具通過導(dǎo)出更多的解決方案最大化的增加了本次工程項(xiàng)目的價(jià)值。詳細(xì)的PDF報(bào)告在分析結(jié)束之后自動生成，并且包含結(jié)果質(zhì)量檢查、能量等級、截面的力應(yīng)力和應(yīng)變從而快速比較不同的設(shè)計(jì)概念。van Aken表示本次項(xiàng)目取得了令人滿意的結(jié)果和很大的收獲：“我們對本次項(xiàng)目的設(shè)計(jì)結(jié)果和效率非常滿意。設(shè)計(jì)完全滿足了新的歐洲I等級座椅標(biāo)準(zhǔn)，并且為我們的客戶有效的降低了成本。如果沒有CAE驅(qū)動設(shè)計(jì)，本次項(xiàng)目不可能實(shí)現(xiàn)。除了合理的CAE設(shè)計(jì)進(jìn)程，我們還通過PBS Professional減少了硬件和軟件資源消耗。這幫助我們最大化的利用了我們的高性能計(jì)算集群的硬件和軟件資源。”

    重新設(shè)計(jì)主要由塑料替換原有的鋼鐵材料。這個(gè)變化還伴隨著大量的載荷工況定義（總共12個(gè)），這需要大量的仿真次數(shù)從而獲取結(jié)構(gòu)壁厚以及筋板位置的布置方案。多種性能要求的組合使本次設(shè)計(jì)最終取得了成功。

結(jié)論

    如果沒有CAE工具，工程師唯一的選擇只能是實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行誤差分析。這種方式很有可能無法滿足所有的設(shè)計(jì)工況，或者將極大的增加時(shí)間成本和財(cái)務(wù)成本。所以，對仿真的正確認(rèn)識是發(fā)展座椅行業(yè)關(guān)鍵。van Aken總結(jié)說：“Altair HyperWorks軟件，尤其是HyperMesh、OptiStruct、RADIOSS和HyperView都是我們?nèi)粘９ぷ鞯臉?biāo)準(zhǔn)化工具，幫助我們更好地為Dorel Juvenile等客戶服務(wù)，設(shè)計(jì)出創(chuàng)新的產(chǎn)品并縮短設(shè)計(jì)周期。”

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本文標(biāo)題：安全第一，CAE驅(qū)動設(shè)計(jì)的Maxi-Cosi兒童座椅開發(fā)流程

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