闪电摩托车重新审视用于批量生产的创成式设计

自公司进入市场以来，闪电摩托车一直在打破电动自行车领域的记录。LS-218 正在推动电动和汽油动力摩托车成为市场上最快的量产自行车。但纯粹的性能并不是唯一的目标;闪电网络专注于为其创造的每种产品提供最佳的质量和价值。实现这些目标并在竞争中保持领先地位的关键是新技术和思维方式。

Lightning Motorcycles是衍生式设计的早期采用者。通过合作，我们制定了零件整合和轻量化工作流程，节省了 30% 的目标组件质量。在本文中，我们将向您展示如何利用创成式设计中的开发来获得这些优势，同时确保具有成本效益的制造。我们将介绍Fusion 360中使用的工作流程，最大限度地利用集成仿真、创成式设计和制造工具，以更好地了解零件及其性能。

融合 360 创成式设计

Fusion 360 创成式设计是一种设计探索工具，旨在减少标准设计探索周期内的必要步骤。它以问题为中心，由实际加载和几何输入驱动设计迭代，并允许同时创建多个可行的设计。图 1 显示了标准的设计到生产工作流，与创成式设计工作流的比较。灰色工作流程显示了正在创建的一些想法，选择了一些关键的想法进行进一步探索，然后通过制造、仿真等设计进行复杂的验证循环。衍生式设计工作流程可以在彩色中看到。在软件本身中创建和迭代大量设计。这些都通过载荷和几何形状以及问题设置中的制造偏差来定义问题。这可以大大提高生产力，并创造人类大脑在这种时候无法产生的新设计，使其成为一个非常强大的工具。

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关键学习

• 了解创成式设计的进步，使项目的重新审视取得成功

• 了解创成式设计设置

• 评估与创成式设计相关的权衡

创成式设计的进步

在过去的几年里，创成式设计的一个缺点是它创造了过于复杂的几何形状。我们与Lightning Motorcycles的初步合作就是一个很好的例子。当时的软件非常新，但仍然非常强大。它允许创建所有这些复杂的几何形状，但工作流程需要大量改进才能从早期结果中取得成功。

图 2 显示了闪电摩托车的初始工作。您可以看到该零件具有很高的细节级别，并且原始装配体被作为一个零件求解。这归结于当时软件的局限性。求解器选项要少得多，这意味着在创成式设计软件中设置零件的实际加载要困难得多。因此，加载将是近似值。如今，我们有更复杂的求解器和更多种类的荷载工况属性，我们可以充分利用这些属性来更好地表示现实世界的荷载。随后，我们能够将我们的设计分成与原始设计相同的三个部分，两个端部和一个几乎充当扭转支撑的中心组件。

当时衍生式设计的另一个缺点是它非常专注于增材制造。这是一个总是要开发的领域，因为软件允许应用各种设计问题是关键。在创成式设计中，您现在可以包括 2.5、3 或 5 轴铣削、2 轴切削和压铸，以及传统的增材制造和不受限制的制造方法。这样可以控制零件的复杂性。由aPriori提供支持的内置成本估算为用户提供了更多关于其设计的成本效益的知识，从而有可能实现新一波的创成式设计结果。

创成式设计设置

要使任何基于问题的解决方案取得成功，您需要能够准确地表示问题，以确保所有结果都与零件将要经历的实际条件相匹配。正如您将在模拟部分看到的那样，由于闪电摩托车提供的模拟标准，我们遇到了一个非常明确的问题。

对于两个侧面组件，设置非常相似。图 4 显示了骑手左侧设置中使用的几何形状。 （“骑手的左侧”就像骑手面朝前坐在自行车上一样。可以看到几何体，红色障碍物区域设置为 40% 的不透明度，以便于查看。创成式设计的障碍区域表示求解器不会在其中添加材质的区域。这些可能是由于更宽组件的其他部件或潜在的运动范围。值得注意的是，左侧是链轮的障碍物。这是代表闪电改变自行车链轮尺寸的关键。因此，我们从原始型号中超大了障碍物，以适应所有链轮尺寸。其他障碍物由自行车组件的部件决定，例如车轮和电机。

蜜饯如图 3 所示，呈创成式设计中的特征绿色。这些都取自原始设计，以保持类似的装配线，以减少更改Lightning已经到位的产品线的需要。这些是通过评估关键夹具点以及允许零件完成其用途的加载区域来选择的。我们可以更深入地研究这些，重新排列夹具等，但这可能会导致组装时间大幅增加，并且可能不会提供太多好处。

图 4 显示了创成式设计的实际设置。为了将零件表示为装配体的子集，我们修复了某些未加载的几何图形，以表示其他装配体零件的夹具。然后，我们从仿真模型中提取相关载荷，并将其应用于荷载体。这允许装配体的每个零件与整个装配体模型相关，同时仍保持 3 部件装配体的整体状态。对于组件的两个侧面部件，这是相同的，唯一的区别是障碍物几何形状的轻微变化。因此，我们不会显示骑手右侧的设置。

中央组件的几何形状和设置比侧面部件稍微复杂一些。几何形状如图 5 所示。由于组件的位置，特别是它与其他组件的接近，这种几何形状非常复杂。结果，有一个非常明确的构建体积，以避免轮胎、电机、减震器等，这些体积由所有障碍物几何形状表示，再次以 40% 不透明度的红色显示。

保护区在这一部分也略显复杂。该部件由一系列通孔或带盖孔组成，允许通过中心组件连接两个侧面部件。由于我们决定保持夹具不变，这些都取自原始几何形状并在我们的设置中使用。唯一的非夹具驱动保护饯是减震器安装到摆臂组件上的凸耳。这对于摆臂的装载非常重要，因为它为整个装配中的装载提供了主反作用力的位置。（减震器的近似值将在后面讨论。

中心部件的载荷由两侧与侧部件的力相关的力和来自减震器的反作用力的组合决定。图 6 显示了对此的粗略表示。由于实际载荷的装配定义中缺少荷载，因此必须创建此中心零部件的设置。我们努力提取不同的力量并将其应用于剩余的蜜饯。

创成式设计权衡

与任何设计过程一样，创成式设计充满了权衡。在大多数情况下，这些是性能（质量、安全系数、位移）与制造便利性/成本的权衡。由于我们之前的工作主要集中在可能的大规模节约上，闪电网络非常想看看我们是否可以利用这一点，同时更多地关注可制造性和成本。图 7 说明了如何在一个简单而有效的矩阵中执行这种权衡。我们将原始设计与 2018 年和 2021 年的创成式设计成果进行了比较。尽管在2018年项目中额外节省了30%的质量，但我们相信，对可制造性的关注将使该部件得以建立，并且即将推出生产部件。

融合 360 度模拟

Fusion 360仿真是一种验证工具，可帮助您了解设计在特定条件下的性能。训练有素的专家可以花费大量时间进行详细分析，以获得真实世界条件的确切结果。但是，您通常可以根据从基本面分析中获得的趋势和行为信息来预测和改进设计。如果在设计阶段的早期执行此基本分析，则可以显著改善整个工程过程。

使用“仿真”工作区中的分析来确定载荷如何导致变形和失效，以便了解零件是否失效以及如何失效。或者您可以确定固有振动频率以避免共振。您可以识别温度分布和热致应力。

在“仿真”工作区中，在试验虚拟设计变体或使模型适应不断变化的设计要求时，节省制造时间。使用“模拟”工作区中的
工具最大程度地减少物理原型设计和破坏性测试要求。融合360在云中运行的模拟研究依赖于云计算服务。

关键学习

• 模拟选择

• 简化几何形状

• 啮合

• 材料

• 荷载工况和边界条件

• 成果探索

模拟选择

静应力分析是最常见的有限元结构分析类型之一。组件或装配体承受一系列载荷条件，并分析产生的应力、应变和变形结果，以确定设计失败的可能性。

线性静应力分析假设如下：

• 结构恢复其原始形式

• 加载方向或大小没有变化

• 材料属性不变

• 变形和应变很小

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Peter曾就读于伯明翰大学，获得机械工程硕士学位。他在欧特克的暑期实习期间开始了他的职业生涯，此后重新加入欧特克，担任伯明翰办事处的研究生技术顾问，最近在工艺专家团队中担任全职职务。他参与了各种项目，通常专注于在不同行业中利用创成式设计，帮助推动平台的采用并进一步开发软件。在业余时间，彼得热衷于运动，经常踢足球、橄榄球和高尔夫。

理查德是Lightning Motorcycles的创始人兼首席执行官。在受邀从事电动汽车领域的一些领先项目后，他创立了该公司。作为一名终身摩托车骑手，他发现了市场上的一个空白，这将使电动汽车和高性能摩托车领域能够推动这些自行车的可能性能。从那以后，闪电继续保持多项速度记录和比赛胜利，通常是第一款参加比赛的电动自行车，更不用说赢得这些享有盛誉的赛事了。

Nick 是一个全面的人，拥有 11 年的航空航天工程师经验以及强大的学术背景。Nick 还在石油和天然气、风能、核能以及制造、工程和汽车市场获得了重要的曝光率。他是计算机辅助工程方面的专家，专注于多物理场优化。Nick 加入欧特克研究院，担任制造业期货高级研究员，专注于制造数字孪生、创建新颖的创成式设计工作流程和智能设计。Nick目前正在管理MOnACO项目，该项目由CleanSky计划资助，旨在制造世界上最大的激光粉末床聚变喷气发动机零件。