HyperWorks在日立重卡300吨自卸车制造中的实践

行业：重型机械

挑战：增加负载能力 ； 减重 ； 达到预期产品寿命

Altair 解决方案：利用 HyperWorks 仿真驱 动设计进行结构分析，通 过 OptiStruct 进行结构优 化，并利用后处理工具 HyperView 快速呈现分析 结果

优点：降低材料成本 ； 提高有效负载性能 ； 提高分析效率

背景介绍

由日立设计并在其安大略省圭尔夫市工厂生产的大型矿用卡车已经销往世界各地，包括中国、哥伦比亚、印度尼西亚等露天开采项目需要重型运输车的地方。日立公司分支机构遍 及全球各地，其研制的机械设备种类繁多，从挖掘机到镗床均有涉及。大型矿用卡车是其重 型设备产品家族之一。

“大”这个字并不能充分描绘自卸车这一庞然大物，该车体宽30英尺，能够运载重达316 吨的有效负载。当车身倾斜卸载时，最大的卡车车身最高点距离地面47英尺。由于体积庞大，只能分块运输并在工作现场进行焊接装配。

该自卸车装载时，总重超过100万磅。对于日立重卡制造（HTM）的设计工程师来说，其设计过程中的挑战非常明确：降低材料成本，达到ISO标准并获得客户满意的有效负载性能。AltairHyperWorks工程仿真软件是帮助他们实现这些目标的关键工具。  

挑战

2005年，HyperWorks专家HarryTempelman到日立重卡制造公司任职技术分析经理，便把HyperWorks带到了日立。他把工作重点集中在使设计方案满足ISO3471防翻滚保护系统规范（ROPS）和防落物保护系统规范（FOPS）的同时，降低驾驶室焊接结构钢的重量。

日立生产的大型卡车必须满足防翻滚保护系统规范和防落物保护系统规范。持续24小时采矿作业时刻存在发生意外的可能性，所以驾驶室必须经受住各种静态、动态和冲击载荷的作用以保护驾驶员的人身安全。

日立工程师通过反复结构设计和有限元分析以验证是否达到ISO3471规范来应对这一挑战。

Tempelman说：“首先我们建立复杂的结构模型，并将几何模型直接导入HyperMesh中，在较短时间内就完成第一次结构分析。然后使用AltairOptiStruct工具求解多个工况， OptiStruct不但提供钢材料的实际分布情况而且提供可能的减重方案，HyperWorks提高了我们快速做出决策的能力。然后，利用LS-DYNA进行结构的显式非线性分析。HyperWorks和LS-DYNA的完美结合使得我们可以轻松地修改模型，进行下一步分析以及通过反复的 ‘what-if’研究细化方案。”

通过很短时间内的多次设计和验证，日立重卡制造在计算过程中获得了一个性能超出 ISO标准的卡车结构。当日立重卡制造进行研发流程中必须的物理测试时，他们已经能够确 信此结构所有的非线性行为都已通过HyperWorks工具准确预测。    

解决方案

Tempelman发现在公司管理层之间分享分析结果时，用于仿真和测试数据的可视化工具Altair HyperView发挥了重要作用。

Tempelman说：“HyperView能帮我更好地对一些技术问题做出具体解释，比如弹/塑性或流变应力特性等；同时，在向投资决策人演示项目时，HyperView也帮助我快速呈现结果报告。HyperView能够从分析软件中提取仿真结果，并与不具备相关技术知识的人员分享。五年前，我们还在为获得一张可显示的白色背景JPEG格式图片而编写一些宏程序以变换 屏幕背景。现在，HyperView——最好的后处理工具，便可快速实现这一功能。这是一种显著的进步。”

日立重卡制造利用AltairMotionView和MotionSolve进行整车多体动力学分析。通过进行系统级到子系统级别，包括前 桥、后桥、车架、驾驶室、发动机一直到车身的动力学分析，可以获得使用OptiStruct或LS-DYNA进行详细有限元分析必需的载荷。

降低成本是日立聘请Tempelman开展HyperWorks应用的主要原因。他们希望降低卡车的自重以减少钢材料成本并提高轮胎的有效负载。

“一切将取决于轮胎，”Tempelman说，“卡车一共有6个轮胎，每个轮胎承受的重量是一定的，所以只有通过减轻发动机、车身和框架的重量，才可以增加整体有效负载。”在通用汽车的企业标准（GMW）内降低重量成为日立重卡制造工程分析的关键。

“CAE完全驱动着这些卡车的设计，”Tempelman说，“有些客户可能会今天低负载运煤，明天超负载运煤。这些负载有着不同的特性，因此我们比较关注轮胎的负载能力，我们希望卡车的重心位于两个前轮和四个后轮之间。此时，每个轮胎承受相同的载荷。事实上，我们为某些客户设计的车身和框架都会考虑车辆实际的工作状况。”

由于这些重型卡车一般都是在偏远地区作业，性能是一种关键特征。为了实现最佳性能，Tempelman发现自己常常坐 在某个地方，打开笔记本电脑，利用HyperWorks软件进行分析。

“到了现场，求解几组工况以寻找降低结构应力的方法。然后利用HyperView显示我们所完成的任务。通过软件，我可以准确描述哪里是基本结构，哪些是修改的地方，哪个应力分析报告等。”  

结论

长期以来Tempelman一直坚持使用HyperWorks的另一原因就是它能兼容多种求解器和数据格式。

“HyperMesh内嵌的数据转换器功能实在太强大了，”Tempelman说，“在使用HyperMesh和HyperView的同时，还可以使用ABAQUS、LS-DYNA、NASTRAN等其他求解器，我不但不用放弃任何一种工具，而且可以就在一套软件平台上构建我整个知识和经验体系。”

“比如说：我们寻求传力路径时使用OptiStruct；如果想查看超弹性材料特性，如橡胶减震器时，我们可以使用ABAQUS；如果想了解钢结构特性，我们可以使用显式程序LS-DYNA。所有的这些都将运行在HyperWorks的框架下，这使得我们的工作更加高效”。

“除此之外，我们与Altair公司之间的合作关系，也是选择HyperWorks软件的重要因素。”Tempelman说，“许多软 件公司来我们公司介绍时说，‘这是我们的软件，如果有什么问题请拨打我的电话。’其实这并不奏效，但我知道，如果我拨打Altair技术支持热线，或是发邮件我将会获得很好的技术支持。这对日立和我来说都是非常重要的。”

“我们成功的秘诀就是拥有一支好的团队和选择一款好的工具。”

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