Vývoj „High Performance“ ultra lehkých silničních kol

Tags: Altair | CAE | HyperWorks | Kompozity | Optimalizace | Rolo

,Trh s jízdními koly je velmi konkurenční prostředí a je velmi složité vyniknout v davu. Na nadšení pro cyklistiku, které zažívá růst napříč celou Evropu, reagoval trh nabídkou produktů s různými schopnostmi a pro různé terény. K dosažení rychlejších, lehčích a více komfortnějších kol se výrobci pokouší využívat nové technologie a nové materiály, které jsou známé z leteckého průmyslu.

V roce 2011, dva švédští přátelé Adam Wais a Anders Annerstedt, dospěli k závěru, že průmysl jízdních kol je v úpadku a nic převratného trh nepřináší. Po několika letech sledování tohoto trhu si všimli mezery na trhu v oblasti ultra „high performance“ kol, která odpovídají požadavkům každého jezdce. Kombinací vášně pro jízdu na kole s unikátním designovými a obchodními zkušenostmi, získanými v jiných oblastech, vznikla společnosti Rolo Bikes s cílem vyvíjet jízdní kola s nejlepšími vlastnosti, která by byla dostupná.

Výzva v podobě uhlíkových vláken

V průběhu vývoje nového kola z uhlíkových vláken se konstrukční tým Rolo rozhodl vytvořit rám, který by byl prokazatelně nejpevnější a nejtužší, při udržení hmotnosti na možném minimu.

„Navázání spolupráce s Altair ProductDesign bylo naprosto fantastické. Nejsem si jistý, zda bychom bez nich byli schopni přinést na trh něco podobného. Budu velmi nadšený z další úzké spolupráce s nimi,“ řekl Adam Wais, majitel a zakladatel Rolo Bikes.

Konstrukce z uhlíkových vláken jsou vyráběny skládáním jednotlivých vrstev až do vytvoření požadovaného tvaru. Stanovování počtu těchto vrstev, které jsou potřeba v určitých částech konstrukce, a orientace vláken v jednotlivých vrstvách představuje pro designéry z týmu Rolo výzvu. Za účelem dosažení cíle v podobě maximální pevnosti a minimální hmotnosti rámu se tým rozhodl optimalizovat konstrukci a hledat ideální rozložení vrstev uhlíkových vláken, ve kterém by se nenacházel žádný nevyužitý materiál.

Rolo Bikes disponoval možnostmi užívání produktů HyperWorks při prvotním vývoji nového rámu. Bohužel jeho tým se neskládal z výpočtářů potřebných na detailní analýzu a optimalizaci rámu.

Rolo Bikes proto přistoupil ke kooperaci s oddělením ProductDesign firmy Altair a společně se dohodli na využití nástrojů programů HyperWorks. Altair Product Design byl schopný s pomocí techniky CAE optimalizovat strukturu karbonových vláken. Cílem projektu byla optimalizace rámu při zachování špičkových hodnot hmotnosti, tuhosti a komfortu. Dalším požadavkem na tým Altair Product Design byl vývoj efektivního a nenákladného virtuálního testu, pomocí kterého by bylo možné analyzovat vlastnosti budoucích rámů společnosti Rolo, ale dalších partnerů.

Optimalizace kompozitového rámu

Tým Rolo Bikes design již měl vytvořené virtuální testovací přípravky na testy Evropského výboru pro normalizaci (Comité Européen de Normalisation tiez CEN) a rovněž na Zedler testy tuhosti s použitím HyperWorks. Výsledky analýz základního modelu korelovaly s výsledky fyzických testů. Základní model vážil 829 g, ale byl extrémně náročný na výrobu. Počáteční výsledky analýz základního modelu poukázaly na několik skutečností, které shovořily a vysokých hodnotách napětí v rámu. Proces optimalizace měl přispět k řešení vysokých hodnot napětí při udržení nízké hmotnosti a zajištění dobré vyrobitelnosti.

Altair ProductDesign využil přístupu tří kroků pro optimalizaci karbonových vláken rámu. Pomocí tohoto postupu byl k dosažení optimalizovaného stavu laděn tvar, tloušťka, směr a umístění každé kompozitové vrstvy. Každý ze tří kroků bol vykonán pomocí nástroje Optistruct, HyperWorks.

1. Krok: Free-Size optimalizace

V tomto kroku byl definovaný tvar a umístění každé kompozitové vrstvy pomocí takzvaných „ply-patches“ s materiálem o stejném směru vláken.

2. Krok: Size optimalizace

V této fázi se určují optimální tloušťky „ply patches“.

3. Krok: Shuffle optimalizace

Poslední krok posuzuje všechny možné kombinace vzájemného pořadí vrstev a navrhuje ideální sekvenci splňující požadavky.

V závěru procesu byl HyperWorks využit pro analýzu a validaci optimalizovaného rámu dle CEN a Zedler testu a pro posouzení únavové zkoušky. Výsledky optimalizace kompozitových vláken umožnili vytvořit komponentu, která je vyrobitelná s požadovanými cenovými náklady. Proces výroby rámu je v Evropském výrobním centru Rolo pečlivá ruční práce každého zaměstnance.

Snížení hmotnosti, zlepšení vlastností

Výsledkem Rolo projektu byla sada komplexních a velmi přesných virtuálních testovacích přípravků, které mohou být použité pro analýzu vlastností jakéhokoliv rámu jízdního kola pomocí průmyslových standardů. Tento proces umožnil snížit vývojový čas díky redukci procesu tvorby drahých prototypů a jejich fyzických testů.

Optimalizace kompozitů úspěšně snížila hmotnost rámu z 829 g na 792 g. Další materiálová vylepšení výrobního týmu Rolo přispěla k dalšímu snížení hmotnosti, což má za následek konečnou hmotnost rámu 710 g. Design splňuje všechny bezpečnostní standardy, zároveň však tuhost a životnost rámu převyšuje standardní hodnoty. Optimalizovaný rám je navíc v porovnání s rámem před optimalizací bez obtíží vyrobitelný.

Do budoucna je plánováno zvýšení přesnosti virtuálních testovacích souprav Rolo. Toto je však podmíněno vytvořením knihovny ověřených materiálových dat. V současné době jsou společnosti Rolo a Altair ProductDesign v pozici poskytovatelů poradenských služeb pro ostatní vývojáře v oblasti vývoje jízdních kol.

O firmě Altair

Altair je zaměřen na vývoj a široké využití technologií simulace pro syntézu a optimalizaci konstrukce, procesů a rozhodnutí k zlepšení podnikové výkonnosti. Společnost je v soukromých rukou a zaměstnává více než 2300 zaměstnanců na celém světě. Altair má hlavní sídlo v městě Troy, Michigan, USA, a provozuje více než 40 kanceláří v 22 zemích světa. Nyní Altair obsluhuje více než 5000 firemních zákazníků z mnoha průmyslových odvětví. Více informací naleznete na www.altair.com.