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Cobra Aero 使用多物理场仿真和场驱动设计重新构想内燃机气缸

Cobra Aero 使用多物理场仿真和场驱动设计重新构想内燃机气缸

2021-11-18 14:03

Cobra Aero是一家位于密歇根州的中小型企业,拥有超过 25 年的历史,提供发动机和相关部件的工程专业知识、产品开发设施和制造服务。该公司最初专注于越野摩托车发动机的设计、开发和制造,但为了适应市场需求,分拆到专业航空航天市场。如今,他们每年生产大约 2,000 台发动机,主要用于无人驾驶飞行器 (UAV) 和无人机。

为了保持竞争力,Cobra Aero 投资了金属增材制造——一种雷尼绍直接金属激光烧结 (DMLS) 系统。克服铸造的设计限制以生产带有更密集的冷却翅片的发动机气缸是一个快速的胜利。但是去除支撑结构所需的后处理增加了相当大的成本和浪费的材料。

 

团队知道为 AM 重新设计零件会带来许多优势——但是,在他们的旅程开始时,他们并没有意识到我们还能实现多少。nTopology 的现场驱动设计和仿真功能在遵循 DfAM 最佳实践开发这款新产品的过程中发挥了关键作用。

“当我们完成时,我们的模型已经进化到非常漂亮的地步!除了晶格之外,我们很快意识到使用 nTopology 除了不再需要支撑结构之外还有许多其他优势。我们能够将冷却管道与气缸本身整合在一起,将零件整合成一个整体。总的来说,设计更简洁、更简单、更紧凑的包装,可以完美打印并且在发动机上表现得更好。”
Cobra Aero 总裁肖恩·希尔伯特 (Sean Hilbert)

晶格作为鳍的替代品

Cobra Aero 已经在商业生产中拥有成功的AM适应翅片冷却系统。然而,最初的设计需要大量的手动后处理来移除支撑结构,这消耗了与端部本身一样多的材料。

在寻找翅片的替代品时,Hilbert 的团队对他们看到的用于各种行业的先进换热器设计的晶格结构产生了兴趣。通过将实心的飞机支架挖空,并用格子、蜂窝或陀螺结构填充空间,可以减轻重量并提高强度。作为奖励,格子是自支撑的——它们不需要任何支撑结构。 

“晶格结构非常适合印刷,让我们能够以更好的方式定制热传递。我们使用的电机设计用于小型无人机,任何额外的质量都会对有效载荷、航程和性能造成特别严重的影响,”希尔伯特提到。 

重新设计的微型涡轮发电机外壳。它具有使用可变脱壳和自动平滑创建的随形冷却通道。

使用 nTopology 的高级建模功能,Cobra Aero 能够快速生成具有不同支柱厚度的不同尺寸的晶格,在其圆柱几何体中使用晶格填充并以平滑过渡结束它。通过每个配置,该软件轻松处理晶格迭代生成的所有数据,自动在支柱交叉点和零件蒙皮连接上生成圆角。这可以更均匀地分布应力,降低可能导致分层的浓度,并提高可制造性和耐用性。

“nTopology 软件带来的可能性几乎是无穷无尽的。成百上千种不同晶格形状的生成是数学式的,无需像在传统 CAD 软件包中看到的那样创建基于表面的离散模型即可完成,这意味着我们可以在 3D 设计方面更具冒险精神印刷。”参与该项目的雷尼绍 DfAM 专家 Kevin Brigden

优化传热的晶格结构

希尔伯特指出,“我们正在探索的问题是冷却管道上的压降量与机身上的阻力量直接相关。我们需要找到一个最佳点,在那里我们可以从气缸中带走足够的热量,但我们不会给整个结构增加巨大的阻力,这样无人机才能飞得更远、更高效。”

为了克服这一挑战,Cobra Aero 使用 nTopology 的场驱动设计功能在空间上控制晶格的属性。他们使用一系列多物理场模拟作为输入——温度、气流速度、压降和机械应力——以生成高度优化的结构。

 场驱动设计使您能够使用仿真结果作为设计参数来控制您的设计

简而言之,他们在传导更重要的区域收紧了晶格结构,而在对流更重要且需要更多气流来带走热量的区域,他们放松了晶格结构。

最重要的是,nTopology 的可重用工作流程允许设计人员重新生成模型,而无需每次都从头开始。这让 Hilbert 的团队能够更快地迭代并减少总的产品开发时间

显示格子内部变化的内燃机气缸的横截面

制造和台架测试

当团队完成设计时,他们使用 nTopology 的切片功能导出 CLI 文件,该文件直接发送到 Renishaw AM500 金属系统进行制造。通过这种方式,他们绕过了将几何图形转换为 STL 格式的需要,并避免了此类转换可能出现的错误。

在开发阶段,在实验室中制造并测试了三个最终的气缸设计,以验证它们在实际场景中的性能。

“测试表明,采用nTopology 的新晶格结构设计在冷却方面比我们的鳍片设计更有效。在每种情况下,在每个不同的 RPM 下,需要较少的冷却空气来保持适当的发动机温度。这正是我们所希望的,也正是我们的模型所预测的。”Cobra Aero 总裁肖恩·希尔伯特 (Sean Hilbert)

这对于发动机的整体设计意味着 Cobra Aero 现在可以为冷却管道制作更小的入口,从而使飞机的正面面积更小。换句话说,它们可以以更少的阻力实现相同的冷却量。 

使用 nTopology 推进设计

Cobra Aero 的格状气缸设计目前已投入商业生产。“我们新的晶格圆柱体设计在各方面都优于我们的翅片圆柱体——这很重要,”希尔伯特说。如果您想了解有关 A33N 发动机的技术特性和性能的更多信息,Cobra Aero在其网站上提供了大量文档。

但希尔伯特的团队并没有停在汽缸上。有了新工具,他们重新设计了无人机引擎的其他关键组件。一个很好的例子来自他们的新发动机支架。在优化这些组件的拓扑结构并遵循 DfAM 最佳实践之后,新的安装座现在提供更好的声音衰减,并且仅重 160 克——而其最轻的竞争对手的重量为 385 克。

源文摘自:nTopology

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