设计仿真 | 海克斯康助力兰蒂奇集团开发电动自行车高性能零部件

兰蒂奇集团作为一家跨国制造商和供应商，在欧洲、北美、南美和亚洲设有生产单位和商业办事处。兰蒂奇集团提供各种化学中间体、聚酰胺聚合物、高性能技术聚合物和先进纺织解决方案，产品包括尼龙纱、聚酯纱、回收纱和生物源纱，医疗保健领域的非织造布和保护装置。兰蒂奇为多个工业部门开发产品，包括汽车，电气电子，消费品，服装，家具，建筑，家用电器和体育运动。他们拥有一支包括应用开发、技术服务和研发在内的全球团队，能够在从概念设计到工程和生产的所有项目阶段为客户提供最高的专业支持。

面临挑战

将金属部件换成轻便、坚固的塑料部件

Acerbis在摩托车越野赛塑料、自行车保护和配件售后市场具有重要地位，他向兰蒂奇集团提出了一个特殊的要求：他们想用一个重量更轻、强度更高的塑料部件来取代一个特定的自行车部件——一个由6061铝合金制成的后摇臂。电动自行车的新摇臂设计必须提供同样的性能表型，同时还要与自行车美学相融合，具有吸引人的表面外观和颜色选择，并且能够在长时间的紫外线照射下抵抗褪色。

兰蒂奇集团高性能聚合物市场营销和技术服务CAE分析师Claudio Ghilardi解释说:“我们需要一种结合刚度和机械强度来承受静载荷和抗疲劳能力的解决方案。“由于这项运动的户外性质，我们还需要一种对湿度不那么敏感的产品。”

解决方案

具有成本效益和轻量级的生态设计

在各个行业，制造商越来越多地寻求用具有同等功能的工程塑料部件来取代金属部件。虽然这种金属部件向工程聚合物部件的过渡已经持续了几十年，但各个工业部门都会不断出现新的机会，甚至延伸到以前不被认为是金属替代目标的部件。除了降低生产成本，环境的影响现在是一个关键的驱动因素，从充分的材料回收到通过轻量化来降低排放。

用工程聚合物代替金属部件有很多优点：

• 降低产品重量

• 增加了形式和设计的自由度

• 提高环境的可持续性

• 减少装配和后处理加工时间

• 增强美感和色彩

• 降低了零件的总成本

当涉及到金属替换时，目标不仅仅是用具有相同功能的塑料部件代替金属部件；相反，该方法是考虑如何利用塑料的独特特性。为了实现这一点，制造商必须考虑零件的功能需求，包括隐性需求，以及零件在更大的操作环境中如何与其他零件相互作用。

他们还必须考虑塑料的内在特性，这与金属截然不同，这意味着制造商必须有效地设计零件，使其能够正确使用。为了确保组件作为一个整体与产品一起工作，制造商必须对更大的项目有一个整体的看法，允许他们预先选择材料，然后重新设计零件，如图1所示。

图1. 后摆臂的设计优化。

01海克斯康联合仿真解决方案

兰蒂奇集团在市场上首次推出了一款由特殊混合物制成的后摇臂，该混合物基于玻璃纤维增强的聚酰胺66，而不是铝。Fantic是一家专门生产电动摩托车和自行车的意大利公司，是第一家采用这种创新产品的公司，其中包括该公司的一些越野车和耐力车，首次在米兰摩托车展(EICMA)上进行了预览，现在已经在生产并可供购买。

兰蒂奇集团使用海克斯康的材料建模平台Digimat来构建制造过程和结构部件性能之间的桥梁。“有了Digimat， 兰蒂奇集团可以为他们的客户提供先进的多尺度材料卡片，这是他们在实验室中描述的材料的完美数字孪生，这样客户就不必自己进行耗时且昂贵的测试，”海克斯康的技术专家主管Hedi Skhiri说。

Skhiri补充说:“为了用增强塑料代替铝制部件，兰蒂奇集团首先使用MSC Apex和Marc创建了有限元模型，包括根据设计要求定义施加力的适当边界条件。然后利用Digimat将纤维取向和熔接线等制造数据从注塑网格传递到结构网格。最后，利用Marc仿真，结合Digimat作为材料卡片求解器进行了耦合分析，以预测零件的性能，同时考虑了局部纤维取向和熔接线对材料刚度性能的影响。

“在完成静态模拟后，应力结果可用于使用CAEfatigue 与Digimat联合计算零件的寿命。疲劳材料描述首先在Digimat中通过有限的实验应力-寿命数据进行校准。然后，它可以考虑纤维密度和取向以及施加的平均应力的影响，平均应力随零件位置和载荷情况而变化。海克斯康业务支持经理Marco Veltri博士说:“CAEfatigue可以复制在役和台架测试条件，通过加载序列和重复次数定义疲劳事件，并计算零件的预期寿命。”

Veltri补充道:“兰蒂奇集团实现了一个真正的多物理场过程；使用Marc, Digimat和CAEfatigue的深度联合，在不同的力水平上重复对零部件虚拟加载，可以确保他们的设计成功。”

图2. 结合Marc、Digimat和CAEfatigue的多物理过程。

02Radistrong差异

与标准PA66相比，兰蒂奇集团的Radistrong产品具有高强度和低湿度敏感性。“该部件是自行车车架的一部分，是一种结构部件，所以我们提出了一种基于聚酰胺66和玻璃纤维增强的特殊混合物，以确保设计能够承受持续和强大的压力。”

此外，我们的解决方案的机械性能-例如刚度和强度-受湿度吸收的影响较小。兰蒂奇集团高性能聚合物的市场和技术服务CAE分析师Claudio Ghilardi说:“我们也非常关注美学效果：材料表面看起来很吸引人，抗紫外线稳定，并且可以抵抗长期暴露在大气中。”

兰蒂奇集团让其工程服务团队负责整个项目。Digimat的早期部署和计算机辅助工程模拟(CAE)的使用，使公司能够在成型阶段预测材料的行为，以及产品在开发的早期阶段的机械响应。随后交付的工程服务包括:

• 项目可行性评估

• 确认材料选择，零件设计和再设计

• 排除原型和常规生产中的故障

• 协调研发、外部供应商和软件供应商之间的关系，确保为兰蒂奇集团的产品提供新的、可靠的材料卡片，供仿真社区使用

• 与客户的设计师，工程师和CAE专家沟通，以促进材料选择和建模信息的积极交流

• 优化客户设计的几何形状和技术性能

• 在预测刚度和失效方面提供更高的精度和可靠性

• 收集对材料行为更深入的了解

• 减少过度设计和使用高安全系数的倾向

• 减少对原型测试的需求

最终结果

简化，缩短生产时间和设计的可持续

使用兰蒂奇集团的化合物，再加上海克斯康的数字材料和多物理场解决方案套件，电动自行车的后摆臂比之前的设计轻了10%。此外，由于兰蒂奇集团的技术聚合物在材料挤出阶段会着色，因此该组件在注塑阶段结束时就可以使用，无需喷漆。

兰蒂奇集团、Acerbis和Fantic在项目的所有阶段都密切合作，从产品设计和材料配方到模具制作和模具注射过程，直到安装在电动自行车上。在客户的实验室进行了许多严苛的测试，表明新的部件超出了最初要求的2倍。最重要的是，新的创新后摇臂有助于降低电动自行车对环境的影响，并且可以在其使用寿命结束时进行回收和机械回收。事实上，这个自行车部件是应用生态设计原则的结果，以推动尼龙回收的良性系统，实现循环经济。

“该项目使我们能够通过重新设计和改进其功能来实现金属部件更换；通过简化和缩短生产时间，我们在短时间内增加了投放市场的产品数量，”Acerbis首席执行官Guido Acerbis总结道。

（海克斯康工业软件）

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