虚拟仿真，卓越表现：特瑞堡利用有限元分析开发新产品，助于打造更具可持续性的产品

时间： 2024-10-24 来源：特瑞堡官网

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虚拟仿真技术拥有70多年的历史，如今已成为产品开发和工业化领域不可或缺的工具。

“仿真已不再是早期那种仅仅产生彩色动画的技术。如今，计算机化设计和制造仿真等技术已成为实现卓越性能、降低成本、推动更具可持续性解决方案的关键。这些解决方案往往超出客户期望。”特瑞堡创新与技术副总裁、特瑞堡德国斯图加特研发基地密封专家团队负责人Konrad Saur说道。

在产品设计方面，客户主要看重什么？

“客户都希望获得成本效益高、性能卓越且使用寿命长的高质量解决方案。”定制产品工程师Martin Wolf表示，“但如今，加快产品上市时间也变得至为关键。”

这正是计算机建模发挥其独特优势的领域。

“尽管仿真和虚拟设计可能是设计过程中最耗时的环节，但它们可以省去大量不同的原型设计或迭代，并节约成本。因此，这是非常值得的。”Wolf说道。

特瑞堡利用有限元分析（FEA）来开发其所有新产品。通过这种方法，可以预测产品在现实世界中在承受各种力、振动、热量、流体流动以及其他物理条件时的反应。

有限元分析应用案例

- Rimseal IM

“新型液压Rimseal IM系列的直径范围从8毫米到1,000毫米不等。”技术工程师Monica Crudu介绍道。“这意味着要开发覆盖整个直径范围的产品，我们需要进行大量物理测试。”

“但是，我们采用了不同的方法。根据模拟的径向力数据，我们在虚拟环境下验证了所有需要的直径，以确保密封件的横截面为其长度提供合适的密封径向力。通过使用有限元分析，我们在短短的18个月内，便验证了所有直径的产品，并成功地将其推向市场。”

- 赋予金属弹簧减震性能

定制产品工程师Martin Wolf介绍说：“我们的一位新客户要求金属弹簧在所有水平和垂直方向上都具有相同的减震效果。”

“解决这一难题的唯一方法是使用三维有限元分析。由于弹簧的几何形状相当复杂，需要进行多次迭代，因此制作实物原型在经济上和时间上都不现实。我们的目标是用第一个原型模具作为批量生产的工具，而借助仿真技术，我们实现了这一目标。”

- 列车空气弹簧系统

“某位客户需要为客运列车配备空气弹簧系统，其初始重量目标为140公斤。”计算机辅助工程专家Nina Heinrich说道。“轻量化对于提高列车的运行效率和燃油消耗非常重要，而我们相信，通过使用更轻质的弹簧，可以实现相同的功能。”

“为了减轻弹簧的重量，我们将其最大的金属部件从铁质改为铸铝。在此过程中，有限元分析在优化材料分布和弥补铝材强度较低等方面发挥了至关重要的作用。正因如此，我们成功地为客户提供了重量仅为77公斤重的空气弹簧系统——几乎只有原始目标重量的一半。”

“有限元分析可以帮助像我这样的工程师在产品设计的早期阶段就确定可能需要关注的地方。”技术工程师Monica Crudu说道。

Wolf指出，特瑞堡的所有设计工程师都具备有限元分析工程师的能力。“这一点非常有利，因为我们可以直接模拟自己的设计并进行快速迭代，而无需等待专门的有限元分析工程师进行计算。”他说道。

除了使用有限元分析等虚拟设计方法，特瑞堡在制造阶段还采用其他类型的计算机化仿真技术。Crudu介绍说：“我们使用Sigmasoft Moldflow来优化材料选择、工艺设置、冷却效率以及设计将熔融塑料输送到注塑设备模具中的进料系统。我们因此能够提供最出色的组件质量，并允许我们对潜在的生产问题进行虚拟故障排除。”

Wolf进一步补充道：“通过对产品进行这类仿真，我们能够预测制造过程中所面临的挑战，评估可制造性，并确保所选生产方法的适宜性。因此，虚拟工程不仅可加快设计阶段的进展速度，还能缩短从原型设计到全面量产所需的时间。”

虚拟工程和虚拟仿真的前景如何？

“可以预见，在中短期内，人工智能将越来越多地在虚拟环境下应用于产品设计优化。”Saur说道。

他进一步补充说，先进的计算能力和精确的虚拟材料模型是特瑞堡在创新方面取得成功的关键。“得益于特瑞堡企业内部的专业知识，我们的虚拟仿真技术在准确性方面具有巨大优势。”

此外，虚拟工程在可持续发展和循环设计方面也发挥着重要作用，这已成为特瑞堡客户日益增长的需求。“通过仿真技术，我们可以确保用最少的材料实现最佳性能，以及尽可能长的密封寿命，并优化耐磨损和耐摩擦性能。所有这些都有助于我们为客户提供更出色、更具可持续性的产品。”Saur总结道。

设计自由度

Nina Heinrich是铁路行业减振解决方案领域的计算机辅助工程专家。

“当我们开发新产品时，客户很少带着自己的设计来寻求我们的帮助。他们通常只是指定所需的关键特性，例如载荷挠度、刚度、耐用性和设计范围。”她说道。

“这使我们能够自由地利用计算机辅助工程来提供创新解决方案，这些解决方案往往能超出客户最初想要达到的性能目标。”

“然而，一些客户经验丰富，对我们提供给他们的产品了如指掌，知道哪些地方需要重点关注。另外一些客户则缺乏经验，他们更加依赖于我们在整个产品开发阶段提供的建议。”

有限元分析还有助于打造更具可持续性的产品。

Heinrich表示：“物理原型越少，浪费就越少。此外，虚拟仿真技术还可以帮助我们生产出质量更轻的产品，因为有限元分析可以验证替代材料是否得到了有效利用。”

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