优化目标更高

作者:William Villers，首席执行官兼总工程师，Arsenal Advanced Methods, Nashua，美国

这是给你的一个销售挑战:试着提供一种产品来取代那些在保守、厌恶风险的行业中已经运行了几十年的产品，这些行业的态度是“如果没有坏，就不要修理它”。你们的新产品更轻，散热效率更高，这对它的运行至关重要，而且在建造中使用的材料更少。不过，该行业并不一定在寻找一个替代品。他们对现有的产品很满意，成本不是主要问题。

阿森纳先进方法公司(阿森纳AM)正面临着这一挑战，他们试图为国防部开发和销售一种创新的散热器产品，以保持电子设备的最佳功能。这些设备负责雷达图像处理、无线电通信、导弹控制、枪支控制和许多其他关键任务操作。它们必须保持足够凉爽，才能在严酷的条件下执行军事任务，因为高温、振动和冲击会导致灾难性的故障。

多年来，阿森纳的创始人对各种产品有很多想法，但使用他们现有的工程模拟工具，评估一个设计需要数周时间，他们必须探索数百种设计变体才能实现目标。所以，他们不断推迟启动他们的创业公司，等待计算机变得足够快，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，目前拥有1000多名会员-并正式投入运营。

一个阿森纳AM蜂窝处理飞机部件

经验产生的想法

在航空航天和国防工业工作了30年之后，阿森纳的创始人对飞机的每一个部件都了如指掌。他们不由自主地注意到，某些部件可以通过使用更少的材料来制造得更轻。就像飞机运行时电子元件上的众多手柄一样，它们只有在飞机着陆时才有用，技术人员必须拆卸这些元件，然后把它们带到维修站进行检查。在空中拖着这么重的东西要消耗燃料。

凭借拓扑优化方面的知识，阿森纳的工程师们意识到，他们可以设计出一种轻量级的手柄，但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，用作散热片，冷却飞机上的电子设备，而切换到3d打印的蜂窝结构将节省大量的重量，因为每架飞机有多达100个这样的结构。

通过在每个手柄和散热器上减少几磅重量，有效载荷突然减轻了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

新产品获得美国军方批准的难度表明，它们的性能比现有同类产品更好。当相同的部件已经工作了30年而没有失败时，这可能是一个挑战。但军用飞机工程师对蜂窝结构很熟悉，因为现在飞机的大部分都是由蜂窝形成的复合材料制成的，以增加它们的强度和刚度。

对于轻质散热器，阿森纳工程师必须优化铝蜂窝的数量，尺寸，间距和壁厚，以达到在涉及冲击和振动的恶劣环境中执行任务所需的必要强度和刚度。他们利用“发现号”快速探索了蜂窝几何形状的变化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。这些蜂窝参数通过模拟确定的最佳值因应用而异，但通常它们可以减少40%的质量。

虽然与固体块相比，蜂窝减少了铝的使用量，但它们的开放空间也降低了散热器的导热性，这对其运行是有害的。开放空间中的空气充当绝缘体而不是热的导体。实验测试显示，蜂巢的某些区域存在不可接受的热量积累，因此阿森纳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之后，他们发现用石墨(一种优秀的导热体)填充蜂窝孔，可以使他们的散热器比原来的固体板更好地散热。最终的设计是一个用石墨填充的3d打印铝蜂窝，与原来的固体铝板结构相比，它仍然减少了20%的质量。

其他飞行应用在运行过程中具有不同程度的振动，因此需要不同的蜂窝设计来实现最佳刚度。例如，无人驾驶飞行器(uav)在不同水平上比标准飞机承受更多的振动。军用飞机上的大型火炮在发射时会产生振动和冲击，机载的所有电子元件都必须能够承受这些力。因此，每个应用都需要定制蜂窝设计解决方案来满足操作要求。

一个爆炸视图的阿森纳AM蜂窝散热器与TPG核心

探索定向载荷

轻量化组件的另一种方法是使用模拟来确定在应用程序期间施加负载的方向。当你知道负载是如何分布的，你就可以对它做出反应，弯曲它，按照你想要的方式移动它。通过在那个方向加强组件，并从其他无负载区域去除材料，阿森纳工程师可以减少更多不必要的有效载荷重量。

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是刚性的，而在另一个方向上是柔性的，以抑制振动。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会议上引起一些注意，因此他们正在逐渐克服沉默，转而采用一种新的解决方案，这种解决方案是内置在保守的军事电子领域的。他们计划参加空军和太空部队的宣传日，在那里他们可以向这些政府机构展示他们的想法，试图为他们的创业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收购更多Ansys仿真解决方案，以便他们能够在新想法出现时快速、低成本地进行创新。