优化目标更高

作者:William Villers，美国纳舒厄Arsenal Advanced Methods公司首席执行官兼首席工程师

这是你面临的一个销售挑战:在一个保守的、厌恶风险的行业，尝试提供一种产品来取代已经运行了几十年的产品，在这个行业，人们的态度是“如果没有坏，就不要修它”。你们的新产品更轻，散热效率更高，这对它的运行是很重要的，而且在结构上使用的材料也更少。不过，这个行业并不一定在寻找替代品。他们对现在的产品很满意，成本不是主要的问题。

阿森纳先进方法公司(Arsenal AM)正面临这一挑战，他们试图开发并向国防部销售一种创新的散热器产品，以保持电子设备的最佳运行。这些设备负责雷达图像处理、无线电通信、导弹控制、枪械控制和许多其他关键任务。在执行军事任务的恶劣条件下，高温、振动和冲击可能导致灾难性故障，它们必须保持足够低的温度才能发挥作用。

多年来，阿森纳的创始人对各种产品都有很多想法，但使用他们现有的工程模拟工具来评估一个设计需要数周的时间，他们必须探索数百个设计变体才能实现他们的目标。所以，他们一直推迟启动他们的初创公司，等待电脑变得足够快，可以与他们拥有的工具一起工作。当他们听说Ansys的发现他们知道这是他们需要的工具，所以没有更多的延误。2018年，他们成为了Ansys启动程序-旨在支持早期创业公司，现在有1000多名成员-并正式投入运营。

军火库AM蜂窝处理飞机部件

从经验中产生的想法

在航空航天和国防工业工作了30年之后，阿森纳的创始人了解飞机里里外外的每一个部件。他们不禁注意到，某些部件可以用更少的材料来减轻重量。就像飞机运行时电子部件上的众多手柄一样，它们只有在飞机降落时才有用，技术人员必须将部件拆卸下来，然后将其带到维修站进行检查。拖着这个重物在空中飞行需要消耗燃料。

凭借他们在拓扑优化方面的知识，阿森纳的工程师们意识到，他们可以设计一个轻量级版本的手柄，仍然可以完成这项工作。他们还知道，这些手柄所连接的部件有时只是机械加工的铝板，用作散热器来冷却飞机上的电子设备，而改用3d打印的蜂窝结构将节省大量重量，因为每架飞机最多有100个这样的结构。

通过在每个手柄和散热片上节省几磅，突然之间，载重减轻了100磅。这意味着每次任务多飞行100英里或10分钟，这可能是成功与失败的区别。对于太空飞行器来说，每磅有效载荷可以节省1万美元。投资回报是一个很好的卖点。

蜂窝结构是关键

美国军方很难批准新产品，这表明它们比现有同类产品性能更好。当相同的部分已经工作了30年没有失败时，这可能是一个挑战。但军用飞机工程师对蜂窝状结构很熟悉，因为飞机的大部分部件都是由蜂窝状的复合材料制成的，以赋予它们强度和刚度。

对于轻型散热器，兵工厂的工程师必须优化铝蜂窝的数量、尺寸、间距和壁厚，以达到在冲击和振动等恶劣环境下工作所需的必要强度和刚度。他们使用“发现号”快速探索蜂巢几何形状的这些变化，在Ansys SpaceClaimCAD表面的直接几何操作，这使他们能够添加更小的特征，以促进金属3D打印。通过模拟确定的这些蜂窝参数的最佳值因应用而异，但通常它们可以将质量降低40%。

虽然与固体块相比，蜂窝减少了铝的使用量，但其开放的空间也降低了散热器的导热性，这对其运行是不利的。开放空间中的空气起着绝缘体的作用，而不是热的导体。实验测试表明，蜂窝的某些区域的热量积聚是不可接受的，所以兵工厂的工程师们开始寻找解决方案。在研究了许多材料的热性能后，他们发现用石墨(一种优秀的导热体)填充蜂窝孔，可以使它们的散热器比原来的固体板更能散热。最终的设计是一个3d打印的填充石墨的铝蜂窝，与原来的固体铝板结构相比，它仍然减少了20%的质量。

其他飞行应用在操作过程中有不同程度的振动，因此需要不同的蜂窝设计来达到最佳刚度。例如，无人机(uav)比标准飞机在不同水平上体验到更多的振动。军用飞机上的大型火炮在开火时会产生振动和冲击，机载所有电子元件必须能够承受这些力。因此，每个应用都需要定制的蜂窝设计解决方案来满足运行要求。

爆炸的兵工厂AM蜂窝散热器与TPG核心

探索定向载荷

另一种减轻组件重量的方法是使用模拟来确定在应用程序期间负载施加的方向。当你知道负荷是如何分配的，你就可以对它做出反应，弯曲它，按你想要的方式移动它。通过向这个方向加固部件，并从其他无载荷区域移除材料，兵工厂的工程师可以减少更多不必要的载荷重量。

定向解决方案也可以用于减少振动。“发现号”向阿森纳的工程师们展示了他们可以制造出在一个方向上刚性，但在另一个方向上灵活以抑制振动的部件。增材制造使建造这些结构成为可能。

阿森纳的原型产品已经开始在一些会议上引起注意，所以他们逐渐克服了转向保守的军事电子部门内置的新解决方案的沉默。他们计划参加空军和太空部队的招聘会，在那里他们可以向这些政府机构展示自己的想法，为他们的初创公司争取更多的资金。如果成功，这些资金中的一部分将用于获得更多的Ansys仿真解决方案，这样他们就可以在新想法出现时继续快速和低成本地创新。