安全第一，CAE驱动设计的Maxi-Cosi儿童座椅开发流

2015-11-18 13:57 [CAE] 来源于：Altair

导读：本文介绍了Code Product Solutions公司利用HyperWorks、APA解决方案和PBS Works组成的CAE驱动设计流程，重新设计一款儿童安全座椅，要求减小包装空间，并使设计结果达到欧洲I等级安全标准。

项目介绍

安全是开发儿童座椅的首要设计目标，汽车儿童安全座椅市场专家Dorel Juvenile领导设计了一款全新的安全座椅——Maxi-Cosi双向调节座椅。为了调查分析最适宜的设计方案，并考虑现实事故中的冲击力，Maxi-Cosi求助于Code Product Solutions公司，这是一家通过CAE技术为客户提供产品开发和优化的工程咨询与服务公司。在产品开发过程中，Code Product Solutions公司的工程师应用了全套Altair HyperWorks CAE模块，包括RADIOSS®碰撞仿真，OptiStruct®计算塑料部件中倾斜系统的高应力区，HyperMesh®前处理，HyperGraph®和HyperView®后处理。

除了HyperWorks之外，Code Product Solutions公司还应用了Altair PBS ProfessionalTM，这是一个商业级的高性能作业调度和资源管理平台。如此可以实现MADYMO假人模型与RADIOSS和Moldflow联合仿真。TASS的MADYMO假人模型来自Altair合作伙伴联盟（APA）的TASS，APA通过共享HWU许可证的模式，在不增加Altair客户企业成本的同时，提供了广泛的第三方解决方案。通过Altair的技术解决方案，Code Product Solutions公司的工程师在完成设计需求的同时大大降低了研发时间和成本。

Harold van Aken负责带领他的团队在这个项目中进行虚拟开发和碰撞仿真。Code Product Solutions是一个工程和咨询公司，通过应用Altair HyperWorks模块等CAE工具为企业客户提供产片的研发和优化。这家公司的宗旨是成为一个值得信赖的合作伙伴，使产品研发更加高效化，帮助客户节约研发时间和成本，并保证产品的综合性能。

工程服务和咨询提供了例如设计、材料、产品工艺等方面的开发建议。很多公司在产品研发的后期才进行仿真分析，但当产品基本成型时再去修改成本会很高。Code Product Solutions公司在研发的设计阶段早期就进行仿真分析，在设计决策提出之前就针对产品的重量和性能进行优化设计。

挑战

项目的初始目标是基于Maxi-Cosi的已有产品FamilyFix座椅进行修正，这样可以直接添加向后放置座椅的功能。很多国家都制定了儿童乘客强制标准，并且通过法律明确了不同年龄、体重和身高的儿童座椅规范。

通常规范被分为三个阶段：对于刚出生的婴幼儿，需要使用向后朝向的婴儿座椅；对于幼龄儿童应当使用向前朝向的儿童座椅；对于年龄再大一些的儿童，应当使用辅助软垫。设计的最大挑战在于双向调节的设计要求以及减小和修改包装空间带来的载荷增加。尤其是向前朝向工况的支撑柱需要很大的结构改变。van Aken表示：“凭借我们在注塑成型设计准则、材料选择方面的丰富经验以及HyperWorks数值分析的领先技术，这些工程上的挑战才被克服。”

婴幼儿的座椅要求向后朝向，这是因为这种坐姿可以减少正面碰撞对婴幼儿的伤害。新生儿和婴儿在没有支撑时还不足以很好的控制他们的头部，在碰撞发生时尤为明显。

Dorel Juvenile认为应该在这个项目中执行最新的欧洲儿童安全座椅标准I规范，这需要融合更多的设计功能以及附加的相关设计要求，因此这个商业案例几乎对儿童安全座椅进行了重新设计。

图1 MaxiCosi 2wayfamily儿童座椅系统提供了两种放置方式

图2 向前和向后两种坐姿下HyperWorks正面碰撞模拟

图3 2wayFix&2wayPearl产品，后朝向坐姿正面碰撞仿真

图4 力学耦合和注塑仿真的调节机制

图5 最新的儿童安全座椅首次满足新的欧洲I标准的座椅安全准则

解决方案

Dorel Juvenile和Code Product Solutions公司的紧密合作以及通过CAE驱动设计使得重新设计座椅底座的开发流程更加高效。得益于Altair的HyperWorks CAE解决方案中的虚拟碰撞实验模块，在设计流程中无需物理样机和中间设计的物理测试，并且工程师在详细设计的第一阶段就得到了正确的设计方案。

Dorel Juvenile创新技术经理Peter Stokman证实Code Product Solutions公司的仿真结果有助于2wayPearl儿童安全座椅的设计。”

van Aken表示：“最初的CAD模型由我们CAE供应商的CAD系统建立，接下来的网格模型由HyperMesh建立。HyperMesh在这个项目中的最大优势是中面网格建模的能力，尤其在碰撞模型中最为明显。碰撞模型在我们的儿童座椅显式分析标准化求解器 RADIOSS中进行计算。”HyperCrash用来进行模型检查，假人模型定位和安全带的缠绕。为了充分发挥工程设计的能力，Code Product Solutions公司应用了一套自身设计的软件，这套软件可以自动建立给定模型的12个设计工况下仿真载荷步。工程师只需要导入不同的座椅模型视角，软件自动建立碰撞模型的载荷工况，从而采用RADIOSS进行仿真分析。

这是Code Product Solutions公司应用RADIOSS进行复杂碰撞模型分析的标准化软件。

并且，HyperView的自动生成报告工具通过导出更多的解决方案最大化的增加了本次工程项目的价值。详细的PDF报告在分析结束之后自动生成，并且包含结果质量检查、能量等级、截面的力应力和应变从而快速比较不同的设计概念。van Aken表示本次项目取得了令人满意的结果和很大的收获：“我们对本次项目的设计结果和效率非常满意。设计完全满足了新的欧洲I等级座椅标准，并且为我们的客户有效的降低了成本。如果没有CAE驱动设计，本次项目不可能实现。除了合理的CAE设计进程，我们还通过PBS Professional减少了硬件和软件资源消耗。这帮助我们最大化的利用了我们的高性能计算集群的硬件和软件资源。”

重新设计主要由塑料替换原有的钢铁材料。这个变化还伴随着大量的载荷工况定义（总共12个），这需要大量的仿真次数从而获取结构壁厚以及筋板位置的布置方案。多种性能要求的组合使本次设计最终取得了成功。

结论

如果没有CAE工具，工程师唯一的选择只能是实验并进行误差分析。这种方式很有可能无法满足所有的设计工况，或者将极大的增加时间成本和财务成本。所以，对仿真的正确认识是发展座椅行业关键。van Aken总结说：“Altair HyperWorks软件，尤其是HyperMesh、OptiStruct、RADIOSS和HyperView都是我们日常工作的标准化工具，帮助我们更好地为Dorel Juvenile等客户服务，设计出创新的产品并缩短设计周期。”

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