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Powerful design software brings student ideas to life

机械与航空航天工程研究生罗纳德·海瑟(Ronald Heisser)希望改变汽车底盘的设计方式。他的理由是,与其将金属部件焊接并拧在一起,为什么不效仿骨骼、肌肉和肌腱的工作方式,使用由电缆连接的有机形状呢?采用这种灵活的底盘设计的汽车应该能够分散冲击力,更好地保护车内的人,而不是让前端在碰撞中破碎。

Heisser提出了一个柔性底盘的想法,作为他的理论和应用力学博士工作的一部分,但后来决定把它搁置在其他项目上。然后,他收到了与康奈尔大学合作的国际软件设计公司Autodesk的邀请,邀请他参加一个关于该公司Fusion 360软件的信息会议。当Heisser与Autodesk的代表会面时,他们建议Heisser想出使用软件生成设计元素的方法,然后Heisser又重新开始思考底盘。

康奈尔杯团队利用Autodesk软件对部分机械臂进行了计算机数控加工优化。

Heisser了解到,生成式设计允许工程师创建几十个设计变化只需点击几下按钮。通过定义项目的大小、重量、材料和预算等限制条件,用户可以为软件的人工智能算法提供一套规范。作为回报,用户会收到符合他们目标的优化设计方案。

“我最初的想法甚至都没有涉及到生成设计,”他说。“但我认为生成设计可以融入这个概念,因为生成设计在一定程度上是为了让结构更轻。所以如果我能用缆绳连接的这些有机形状更轻,汽车的质量就会更小。如果发生事故,它的结构更轻,承受冲击,所以传递给司机的动能更少。”

创新推动Autodesk-Cornell合作

作为autodesk与康奈尔大学于2013年启动的合作伙伴关系的一部分,像海瑟这样的康奈尔大学学生和教员都可以订阅包含生成式设计功能的Fusion 360软件。当时,欧特克向康奈尔大学捐赠了价值5140万美元的软件,这是该大学历史上最大的实物捐赠之一。欧特克建筑、工程和建筑设计解决方案部门的高级副总裁Amy Bunszel ‘ 89说:“康奈尔大学是我们想要建立更好关系的目标学校之一。”“康奈尔大学培养出了大量的企业家,这所大学对创新和创业的思考方式与我们一致,并与我们进行了交流。我们也被康奈尔大学对STEM领域多样性的重视和对跨学科教育的优先重视所吸引。”

本泽尔对学生在大学接受的教育类型有第一手的了解。她是一家初创公司的创始人,拥有康奈尔大学电子与计算机工程专业的理学学士学位,她只是许多欧特克公司的领导者之一,他们也是康奈尔大学的校友。这种联系可以追溯到上世纪90年代初,当时Autodesk收购了Ithaca Software,这家公司基于康奈尔大学(Cornell)开发的3D图形系统。当时,伊萨卡软件公司创始人卡尔·巴斯83岁,加入了欧特克,并在那里担任了多个职位,包括总裁和首席执行官。“有这么多来自康奈尔大学的领导,我们真的很高兴能够用我们的软件支持大学的学生和整个教育课程,”本泽尔说。

Autodesk产品从第一个软件赠品开始就不断发展,而Cornell也继续从合作中受益。机械、制造、化学、土木和生物医学工程专业的学生使用欧特克软件进行广泛的课程和项目,艺术、建筑和规划学院的学生以及商业和创业专业的学生也是如此。学院还在各种本科和研究生课程中使用Autodesk工具进行教学。

火星探测器修改

如今,欧特克正在强调Fusion 360,这是一个集设计、工程、电子和制造于一体的单一平台。作为拓展康奈尔社区的一部分,公司代表定期访问实验室,并邀请学生参加Heisser参加的信息会议。

这是21岁的Chris Draikiwicz第一次听说生成式设计的好处,他是机械和航空航天工程高级学生,也是康奈尔火星探测器悬挂团队的成员。自2010年以来,康奈尔(Cornell)火星漫游者项目(Mars Rover program)为学生提供了设计和建造一辆全自动漫游者的机会,并将其送往火星协会(Mars Society)主办的年度大学漫游者挑战赛(University Rover Challenge)。Draikiwicz和团队成员Stephanie Terhaar ‘ 22和Mikayla Lahr ‘ 23负责设计2019-20路虎Argos的悬挂系统。

21岁的Vicky Hsu和21岁的Chris Draikiwicz是康奈尔大学火星漫游者学生项目组的成员。

Draikiwicz回忆道:“我们通过分析前一年的系统开始了设计周期,我们发现它非常笨重,规格过高。“所以我们为Argos设计悬挂系统的主要目标就是减轻它的重量。有很多方法可以做到这一点,但我们最终选择了生成式设计链接。”

Draikiwicz和悬挂小组的其他成员,以及动力传动小组成员Vicky Hsu的21岁成员,在将生成式设计应用到rover之前,花了很多时间来加速学习。Draikiwicz说道:“为了正确使用生成式设计,你必须确保所有的加载条件都是正确的,所以我们进行了一些粗略的加速度计实验,以获得大致的数据。

一旦团队有了加载条件,他们就把它们输入到程序中。Draikiwicz继续说道:“Fusion 360为我们设计了主悬挂臂。“我们花了一段时间来调整它,使其适合我们内部的机器,但我们最终交付的实际上是两个设计。一个是简化的二维几何版本,我们在2019年11月制作的。但我们也有一个有机形状的3D悬挂机构,我们已经准备在3月份进行加工。”

不幸的是,由于COVID-19大流行导致伊萨卡康奈尔大学校园的临时封锁,学生们无法制作有机版本。然而,他们确实使用了第一个2D版本。“我们在50公斤重的漫游者身上节省了0.8公斤的重量,这对于大规模节省来说是非常重要的,”德雷基维茨说。“我没有机会用机器加工的3D设计将会进一步减少2公斤。如果你看到的是我们削减质量的宏伟目标,所有这些十分之一千克的物质。”

一个机器人的

减少质量也是康奈尔杯团队成员最关心的问题之一,他们决定使用Fusion 360生成设计功能减轻机器人C1C0(发音为Kee-ko)的手臂。作为康奈尔杯(康奈尔杯是一项全国性的嵌入式系统比赛)的主办者,康奈尔队并不参加比赛,但他们确实参与了针对儿童和青少年的全面教育和意识运动,C1C0是他们的大使。

“我们已经听到很多工程师在我们团队和工程学院机器人他们长大看到主流媒体使他们认为干细胞领域是有趣的,”说泽勒纳塔莉亚·麦克莱恩21日高级机械和航空航天工程,总体康奈尔杯组长,和康奈尔杯机械系统部门的领导人。“我们想制造一个可以提供那种灵感的机器人,但在现实生活中。C1C0向孩子们展示了,你可以制作一个很酷的机器人,它可以在现实世界中工作。”

康奈尔杯团队在2017 Maker Faire上展示了他们的C1C0机器人。

C1C0看起来像《星球大战》中的R2D2,除了它有手臂,而且实际上是自主的。“很明显,R2D2的形状并不意味着有手臂,”泽勒·麦克林说。“这意味着,对我们来说,确保手臂在移动时的重量不会导致整个车辆翻倒或导致转向问题非常重要。”

康奈尔杯与欧特克代表密切合作,经常参观实验室。几年前,欧特克建议学生们想出方法来使用生成设计机器人,和西MacLean和她的队友看到手臂重量的问题,完美的应用程序的软件。她说:“生成性设计真的很擅长把材料放到需要的地方。”“优化使用更少的材料,就等于制造出更轻的机器人手臂。”

与此同时,学生们希望确保轻臂仍然保持力量。团队成员Samuel Lemma ‘ 20在这项任务中率先使用了生成式设计。“他使用软件来告知最重要的结构位置,我们实际上需要一些材料,”泽勒·麦克林说。“他借鉴了原始的设计,并对其进行了生成设计研究,最后得出了一个3D模型,告诉我们哪些是需要保留的,哪些是可以去掉的。然后他能够将其投影到2D草图中。”

简化设计和制造

C1C0手臂的侧板是水射流切割,泽勒·麦克林解释说,这意味着本质上是切割一个大金属板的孔。Lemma也通过将生成设计二维投影叠加到金属板上来完成制造任务。“这帮助他找到了削减的地方,”泽勒·麦克林说。“它反映了我们两个机械手臂上所有结构部分的整体形状。”

海瑟也认同这一经验。他说,他对自己灵活的底盘有一个大致的想法。他解释道:“我只是画了个草图,画出我想让东西往哪里走。”“当涉及到实际制造零件时,当涉及到设计结构本身时,软件为我解决了这些问题。在很多方面,它简化了设计过程。”

在欧特克,了解康奈尔学生在生成设计方面的真实经历对邦塞尔来说就像音乐一样美妙。她说:“这些学生是我们未来的客户,他们的反馈对我们非常重要。”“确保我们的产品与下一代相关是首要任务。”

Jackie Swift是工程学院的自由撰稿人。这个故事最初出现在康奈尔工程杂志2020年秋季号上。

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