IPAGEPAGEV摘要保險(xiǎn)杠作為安全防護(hù)裝置是現(xiàn)代汽車的重要組成部分，它能有效減輕汽車損傷程度和人員傷亡程度。而3D打印作為一種新的生產(chǎn)技術(shù)，打破了傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，采用逐層累積的生產(chǎn)方式一次成型，對(duì)實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜零部件的加工意義重大。本文基于3D打印技術(shù)對(duì)某商用車保險(xiǎn)杠進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從模態(tài)、抗凹性、低速碰撞三方面進(jìn)行有限元分析，之后通過目標(biāo)為加權(quán)應(yīng)變能（WeightedCompliance）最小化的拓?fù)鋬?yōu)化來進(jìn)行保險(xiǎn)杠的概念設(shè)計(jì)。本文共設(shè)計(jì)兩種方案，經(jīng)過對(duì)比分析最終確定質(zhì)量為2.794Kg的方案二作為最終設(shè)計(jì)方案。通過分析驗(yàn)證本文研究的保險(xiǎn)杠模型能夠滿足相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)鍵詞：3D打?。槐ｋU(xiǎn)杠；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；輕量化

ABSTRACTAsasafetyprotectiondevice,thebumperisanimportantpartofmodernautomobile,whichcaneffectivelyreducethedegreeofautomobileinjuryandcasualty.Asanewproductiontechnology,3dprintingbreaksthetraditionalmodeofproductionandusesthelayer-by-layermodeofproduction,whichisofgreatsignificancetorealizethemachiningofmorecomplexparts.Inthispaper,thestructureofacommercialvehiclebumperisoptimizedbasedon3Dprintingtechnology.Themodelwasanalyzedfromthreeaspects:mode,concaveresistanceandlowspeedcollision.Afterthat,theoptimizationschemeofthesecondarydesignisdeterminedbythetopologicaloptimizationaimingattheminimumWeightedCompliance.Twoschemesweredesignedinthispaper,andscheme2withamassof2.794kgwasfinallydeterminedasthefinaldesignschemeaftercomparativeanalysis.Theanalysisverifiesthatthebumperskinmodelstudiedinthispapercanmeettherelevantnationalstandards.KEYWORDS:3DPrinting;bumper;structureoptimization;lightweight

目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 IABSTRACT II第一章緒論 11.1課題研究背景 11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 31.3課題主要研究?jī)?nèi)容 4第二章保險(xiǎn)杠模態(tài)分析和靜態(tài)分析 62.1有限元分析理論 62.1.1有限元法分析優(yōu)點(diǎn) 62.1.2模態(tài)分析理論 62.2原保險(xiǎn)杠模型分析前處理 72.2.1模型的幾何處理及網(wǎng)格劃分 82.2.2模型材料屬性 82.3保險(xiǎn)杠模態(tài)分析 92.3.1自由模態(tài) 92.3.2約束模態(tài) 92.4保險(xiǎn)杠抗凹分析 102.4.1抗凹分析原理及前處理 112.4.2結(jié)果統(tǒng)計(jì)及對(duì)比分析 11本章小結(jié) 14第三章保險(xiǎn)杠低速碰撞仿真分析 153.1碰撞仿真分析理論 153.2擺錘模型的建立和定義 173.3保險(xiǎn)杠碰撞前處理 193.4碰撞分析結(jié)果統(tǒng)計(jì) 203.4.1正碰分析結(jié)果 203.4.2偏置300mm碰撞分析結(jié)果 213.4.360°角碰分析結(jié)果 22本章小結(jié) 23第四章保險(xiǎn)杠的拓?fù)鋬?yōu)化 244.1拓?fù)鋬?yōu)化基本思想 244.2模型工況的加載 244.3優(yōu)化條件的設(shè)置 254.4優(yōu)化結(jié)果展示 26本章小結(jié) 27第五章保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析 285.1方案一的設(shè)計(jì)及分析 285.1.1方案一的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 285.1.2方案一的模態(tài)分析及對(duì)比 295.1.3方案一的局部剛度分析及對(duì)比 305.1.4方案一的碰撞分析及對(duì)比 315.2方案二的設(shè)計(jì)及分析 345.2.1方案二的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 345.2.2方案二的模態(tài)分析及對(duì)比 355.2.3方案二的局部剛度分析及對(duì)比 365.2.4方案二的碰撞分析及對(duì)比 375.3可行性及成本分析 405.3.1可行性分析 405.3.2成本分析 40本章小結(jié) 41第六章結(jié)論與展望 426.1結(jié)論 426.2展望 43致謝 44參考文獻(xiàn) 45PAGEPAGE1緒論1.1課題研究背景汽車的出現(xiàn)改變了人們的生活模式，為人們的生活提供了優(yōu)質(zhì)服務(wù)。汽車行業(yè)發(fā)展至今取得了全方位的進(jìn)步與發(fā)展，在生活中的應(yīng)用十分廣泛。然而隨著汽車的大范圍應(yīng)用，也帶來了諸多社會(huì)問題，如汽車尾氣導(dǎo)致空氣、環(huán)境的污染；頻發(fā)的交通事故等。同時(shí)人們?nèi)找嫣岣叩沫h(huán)保意識(shí)和安全意識(shí)使得對(duì)汽車的要求不僅僅滿足其實(shí)用性，對(duì)其安全性與舒適性也有了更高的要求。汽車制造商為了響應(yīng)相關(guān)政策及消費(fèi)者要求，在不斷提高的技術(shù)水平下對(duì)車輛進(jìn)行更新?lián)Q代。在該過程中，汽車的外觀越做越好看，流線型設(shè)計(jì)以及更加輕量化的車身能夠有效的節(jié)省油耗，車輛的安全性能也在不斷提升，以減少事故中的損失及保護(hù)乘客安全。在著力追求汽車輕量化的今天，提倡“寧減十馬力，不加一公斤”，賽車領(lǐng)域?qū)⑦@種輕量化的要求做到了極致，而商用車也在不停的追求輕量化設(shè)計(jì)以降低生產(chǎn)成本。要想實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)要做的很多，采用更加輕便的材料；設(shè)計(jì)更優(yōu)的結(jié)構(gòu)以減少材料的使用量。之前受限于傳統(tǒng)的減材制造，零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較單一，無法完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)。而3D打印技術(shù)的橫空出世實(shí)現(xiàn)了突破，該技術(shù)采用增材制造，可以實(shí)現(xiàn)較為自由的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有了更大的發(fā)揮空間。理論上可成形任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)、鏤空結(jié)構(gòu)和內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)的零件，減少材料的使用。另外該技術(shù)獨(dú)特的增材制造，在加工生產(chǎn)的過程中沒有多余材料的浪費(fèi)。不僅可以很好地滿足輕量化的要求，也將生產(chǎn)成本降低。同時(shí)該技術(shù)的生產(chǎn)過程簡(jiǎn)單，一次成型，無需模具。憑借著諸多優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于建筑、汽車、航天、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域。其中汽車領(lǐng)域該技術(shù)主要應(yīng)用于零部件的設(shè)計(jì)制造，目前主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件，傳統(tǒng)制造工藝在面對(duì)復(fù)雜零部件時(shí)需要分塊加工后再組裝，其尺寸精度和強(qiáng)度都會(huì)受到一定的影響，而且由于零部件復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，所需的工序也更多，將導(dǎo)致成本和加工周期的提升，而3D打印技術(shù)則可以不受零部件結(jié)構(gòu)的限制，快速制造出復(fù)雜的汽車零部件。多材料復(fù)合零件，3D打印技術(shù)的一個(gè)突出優(yōu)勢(shì)是可以對(duì)多材料、多顏色零部件完成一體成型，實(shí)現(xiàn)零部件的不同部位對(duì)材料性能和顏色的不同要求。輕量化結(jié)構(gòu)零件，3D打印可以根據(jù)計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果對(duì)零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)汽車輕量化。（4）個(gè)性化定制零件，例如布加迪汽車曾采用3D打印技術(shù)制備鈦合金制動(dòng)鉗，不僅外觀酷炫，還經(jīng)久耐用。（5）小批量零件，戴姆勒采用3D打印技術(shù)，為經(jīng)典車型提供3D打印備用件，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)部件的小批量生產(chǎn)，由于批量小，先期投入成本與報(bào)廢件成本都不會(huì)很大。（6）應(yīng)急零部件，當(dāng)汽車制造企業(yè)的一些零部件出現(xiàn)緊缺時(shí)，若采用傳統(tǒng)加工制造方式，不僅會(huì)耗費(fèi)大量的模具開發(fā)成本，而且生產(chǎn)制造也會(huì)消耗大量的時(shí)間，不利于快速地完成相關(guān)試驗(yàn)與驗(yàn)證。這時(shí)就可以采用3D打印技術(shù)來解決這一問題，對(duì)于急需的零部件，直接用3D打印機(jī)制造，一方面縮短了制造的成本，另一方面也可以快速的完成實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證。3D打印技術(shù)與汽車制造的有機(jī)結(jié)合推動(dòng)了汽車產(chǎn)業(yè)的革新，在汽車零部件的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)意義重大，有效的降低了制造成本并實(shí)現(xiàn)輕量化的發(fā)展方向。汽車產(chǎn)業(yè)除了在輕量化方向做出努力外，對(duì)于汽車的安全性能也從未放松。推出一系列電子輔助系統(tǒng)并不斷提高安全部件的性能。保險(xiǎn)杠作為汽車重要安全部件之一對(duì)汽車整體安全性的作用不言而喻，該部件的研究也從未停下腳步。如今保險(xiǎn)杠不僅起到安全作用，同時(shí)也裝飾了汽車的整體造型。目前保險(xiǎn)杠的主要功能有：1、輕微事故時(shí)保險(xiǎn)杠能吸收沖擊能量，撞后自動(dòng)恢復(fù)原狀，有效地降低了車輛的修理費(fèi)用；2、遇上嚴(yán)重的撞車事故時(shí)，沖擊力經(jīng)防撞橫梁被合理導(dǎo)向分散給整個(gè)車身，以避免局部區(qū)域變形過大，保證乘客有足夠的生存空間；3、保險(xiǎn)杠對(duì)整車有裝飾美觀作用，體現(xiàn)整車造型風(fēng)格；4、在行人保護(hù)方面，保險(xiǎn)杠系統(tǒng)起到?jīng)Q定性作用，低速碰撞時(shí)，可有效的降低被撞行人的受傷害程度。 現(xiàn)代汽車對(duì)保險(xiǎn)杠的要求是輕質(zhì)高可靠性，單純通過增加材料用量來提高汽車結(jié)構(gòu)的承載力和耐撞性與現(xiàn)代汽車產(chǎn)業(yè)追求輕量化的理念相違背。汽車保險(xiǎn)杠既能滿足輕量化設(shè)計(jì)的要求，又能保證碰撞安全性能，是現(xiàn)在面臨的重大難題。而隨著3D打印技術(shù)在汽車零部件制造的應(yīng)用，這一難題得到了解決途徑。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)不僅要考慮安全，還要滿足輕量化、空氣動(dòng)力性以及裝飾美觀的要求。為了達(dá)到以上幾點(diǎn)要求，當(dāng)前國(guó)內(nèi)汽車保險(xiǎn)杠大多采用塑料材質(zhì)。，主要有聚丙烯(PP)和由抗沖PP共聚物、苯乙烯類彈性體和聚烯烴類橡膠3種組成共混改性材料，注射成型。比如上海大眾桑塔納、斯柯達(dá)轎車的保險(xiǎn)杠，采用了聚酯系材料，并用反應(yīng)注射模成型法做成;一汽大眾的速騰、邁騰和新高爾夫轎車采用了聚丙烯系材料注射成型做成。塑料保險(xiǎn)杠的特點(diǎn)有強(qiáng)度好、剛度好且質(zhì)量輕，能夠在發(fā)生碰撞時(shí)更好的保護(hù)車身及乘客[2]。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，2018年版C-NCAP管理規(guī)則中新增加了行人保護(hù)試驗(yàn)及評(píng)價(jià)要求，各大整車廠商在新款車型的開發(fā)中，更加注重保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，紛紛增加了行人保護(hù)下橫梁。如果車輛與行人發(fā)生碰撞，腿部保護(hù)設(shè)計(jì)可以改變?nèi)梭w的運(yùn)動(dòng)軌跡，防止腿部卷入車底[16]。3D打印技術(shù)作為一種新型的生產(chǎn)技術(shù)較傳統(tǒng)方式具有多方面的優(yōu)勢(shì)，所以是當(dāng)今一大熱門，并在建筑、醫(yī)療、汽車、航空等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)，最早研究3D打印的是清華大學(xué)顏永年教授及其團(tuán)隊(duì)，1992年該團(tuán)隊(duì)研制出國(guó)內(nèi)第一臺(tái)快速成型機(jī)器原型[6]；瑞士伯爾尼英塞爾醫(yī)院團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù)，精確地打印出了人類拇指骨骼，創(chuàng)造了醫(yī)學(xué)上的奇跡[3]；北京航空航天大學(xué)王華明教授及其團(tuán)隊(duì)將定向凝固、合金超純凈精煉、快速凝固與激光快速成型技術(shù)結(jié)合起來，開發(fā)出了新的激光成型加工方法；2010年，Stratasys公司利用熔融沉積成型技術(shù)打印出Urbee汽車；美國(guó)加利福尼亞州的FIT公司通過選擇性激光熔化3D打印技術(shù)制造充滿點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的仿生發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋，該氣缸蓋質(zhì)量減少了66%，表面面積從823cm2增加到6052cm2，顯著提高了氣缸蓋的冷卻性能，從而改善了賽車的發(fā)動(dòng)機(jī)性能[23]；；寶馬公司利用3D打印技術(shù)制造DTM賽車動(dòng)力系統(tǒng)安裝的高精度鋁合金水泵輪[5]；豐田子公司大發(fā)敞篷車Copen為客戶提供定制服務(wù)，有15種“外觀皮膚”采用3D打印制造[5]；國(guó)內(nèi)主機(jī)廠也嘗試通過3D打印技術(shù)制造汽車功能零件，例如采用選擇性激光熔化3D打印技術(shù)制造的鋁合金汽車輪轂，利用晶胞點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)較同尺寸的傳統(tǒng)鑄鋁車輪降重約13%[5]；西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)出的激光立體成型技術(shù)可以打印金屬，拓展了打印材料的范圍[3]；法國(guó)標(biāo)致Fractal的純電動(dòng)概念車內(nèi)飾件表面具有凹凸不平的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)是將白色尼龍粉末通過選擇性激光燒結(jié)3D打印方式制成，這種內(nèi)飾不僅可以減少聲波和噪聲水平，而且會(huì)使聲波從一個(gè)表面反射到另一個(gè)表面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音環(huán)境的調(diào)整[24]。目前3D打印技術(shù)愈加成熟，該技術(shù)大致可分為疊層實(shí)體制造、溶融沉積成型、立體印刷、選擇性激光燒結(jié)、三維焊接、三維打印和數(shù)碼積累成型等類型[4]。不同的技術(shù)類型應(yīng)用于不同的需要，相信接下來該技術(shù)會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用甚至逐步取代傳統(tǒng)生產(chǎn)方式。1.3課題主要研究?jī)?nèi)容本文將基于3D打印技術(shù)對(duì)某商用車保險(xiǎn)杠進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)初始階段，先要檢查造型是否滿足法規(guī)要求。相關(guān)的法規(guī)和布局要求有:低速碰撞、行人保護(hù)、外部凸出物、牌照安裝、冷卻系統(tǒng)對(duì)格柵進(jìn)氣面積要求、前保險(xiǎn)杠接近角等，本文主要基于低速碰撞對(duì)后保險(xiǎn)杠進(jìn)行分析研究。低速碰撞（GB17354），前后保險(xiǎn)杠低速碰撞的設(shè)計(jì)要求是在發(fā)生接觸和輕微碰撞時(shí)，不會(huì)對(duì)車輛造成嚴(yán)重?fù)p傷，保護(hù)車身、發(fā)動(dòng)機(jī)供油系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及相關(guān)的燈具等不受到損傷。在已提供的保險(xiǎn)杠外型蒙皮的基礎(chǔ)上，考慮相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及在有限元分析和在碰撞仿真下的數(shù)據(jù)收集及對(duì)比。主要工作內(nèi)容:初始三維模型的建立及有限元分析前處理。對(duì)原始模型進(jìn)行模態(tài)分析、局部剛度分析、低速碰撞分析并收集分析數(shù)據(jù)。在三種類型工況下進(jìn)行以加權(quán)應(yīng)變能最小化為目標(biāo)的拓?fù)鋬?yōu)化。根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，基于3D打印技術(shù)并考慮輕量化要求對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的二次設(shè)計(jì)。對(duì)新的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行有限元分析對(duì)比，分析不同方案的差異及優(yōu)劣，選擇更好的設(shè)計(jì)方案或者結(jié)合分析結(jié)果重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

第二章保險(xiǎn)杠模態(tài)分析和靜態(tài)分析2.1有限元分析理論有限元分析是用較簡(jiǎn)單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的(較簡(jiǎn)單的)近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件)，從而得到問題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問題被較簡(jiǎn)單的問題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能夠表示實(shí)際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個(gè)世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了應(yīng)用，例如用多邊形(有限個(gè)直線單元)逼近圓來求得圓的周長(zhǎng)，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，并由于其方便性、實(shí)用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過短短數(shù)十年的努力，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速?gòu)慕Y(jié)構(gòu)工程強(qiáng)度分析計(jì)算擴(kuò)展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實(shí)用高效的數(shù)值分析方法。2.1.1有限元法分析優(yōu)點(diǎn)近年來在計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析方法支持下發(fā)展起來的有限元分析方法為解決復(fù)雜的工程分析計(jì)算問題提供了有效的途徑。在工程實(shí)踐中，有限元分析軟件與CAD系統(tǒng)的集成應(yīng)用使設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1.增加設(shè)計(jì)功能，減少設(shè)計(jì)成本；2.縮短設(shè)計(jì)和分析的循環(huán)周期；3.增加產(chǎn)品和工程的可靠性；4.采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低材料的消耗或成本；5.模擬各種試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)；2.1.2模態(tài)分析理論模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備故障診斷的一種重要方法。模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型，這些模態(tài)參數(shù)可以由計(jì)算或試驗(yàn)分析取得。通過模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特性，就可以預(yù)言結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)。在有限元分析程序中，無阻尼線性結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)的控制方程：（2.1）假設(shè)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)：（2.2）（2.3）將結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的位移和速度，代入到控制方程中，可得：（2.4）以下兩種情況可滿足上述方程：，表明結(jié)構(gòu)沒有振動(dòng)，該情況不考慮這是一個(gè)特征值問題，可以求解n個(gè)方程的根，這些根是這個(gè)方程的特征值；對(duì)于每一根（特征值），都對(duì)應(yīng)一個(gè)特征向量而輸出的固有頻率則為：（2.5）計(jì)算模態(tài)分析實(shí)際是一種理論建模的過程，主要是運(yùn)用有限元法對(duì)振動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，建立系統(tǒng)特征值問題的數(shù)學(xué)模型，用近似方法求得系統(tǒng)特征值和特征矢量。由于阻尼難以準(zhǔn)確處理，因此通常均不考慮小阻尼系統(tǒng)的阻尼，解得的特征值和特征矢量即系統(tǒng)的固有頻率和固有振型矢量。2.2原保險(xiǎn)杠模型分析前處理有限元前處理是有限元分析中創(chuàng)建分析模型的階段，也是將連續(xù)的求解域離散為一組單元的組合體，用在每個(gè)單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來分片地表示求解域上待求的未知場(chǎng)函數(shù)的過程。它的任務(wù)是將實(shí)際問題或設(shè)計(jì)方案抽象為能為數(shù)值計(jì)算提供所有輸入數(shù)據(jù)的有限元模型。2.2.1模型的幾何處理及網(wǎng)格劃分當(dāng)模型導(dǎo)入進(jìn)HyperMesh之后不應(yīng)立即對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，首先要對(duì)模型進(jìn)行清理。有限元分析對(duì)模型的要求和CAD模型不同．CAD模型需要精確的幾何表述，包含有很多的幾何細(xì)節(jié)特征，如圓角、小孔等．而這些細(xì)節(jié)在有限元分析時(shí)，需要用很小的單元才能精確描述，這將導(dǎo)致求解時(shí)間過長(zhǎng)；另外CAD模型導(dǎo)入HyperMesh后，可能會(huì)產(chǎn)生一些幾何信息錯(cuò)誤，如些縫隙、重疊、擠壓等，直接進(jìn)行網(wǎng)格劃分會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)格質(zhì)量低下，影響求解精度。因此有限元分析中進(jìn)行幾何清理是必要的，清除不必要的細(xì)節(jié)，形成一個(gè)簡(jiǎn)化的模型，以便于網(wǎng)格劃分和計(jì)算分析。圖2.1幾何清理過程由于該保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，為了方便網(wǎng)格的劃分只需對(duì)該保險(xiǎn)杠模型的一半進(jìn)行網(wǎng)格劃分操作，再利用鏡像復(fù)制出另一半即可。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，由于該模型比較簡(jiǎn)單，過小的網(wǎng)格只會(huì)增加計(jì)算時(shí)長(zhǎng)，對(duì)其結(jié)果的精度影響不大。故選取合適的網(wǎng)格尺寸即可。本分析中采取網(wǎng)格尺寸為5mm.鏡像圖2.2保險(xiǎn)杠有限元模型的建立2.2.2模型材料屬性表2.1模型材料參數(shù)材料彈性模量泊松比密度工程塑料1300MPa0.381.1e-6Kg/mm3模型屬性中定義厚度為3mm。2.3保險(xiǎn)杠模態(tài)分析模態(tài)分析的實(shí)質(zhì)是計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)特征方程的特征值和特征向量，將特征值從小到大排列就是階次。盡管實(shí)際的分析對(duì)象是無限維的，具有無窮階模態(tài)。但是只是前面的幾階模態(tài)對(duì)于運(yùn)動(dòng)起主導(dǎo)作用，所以計(jì)算時(shí)根據(jù)需要計(jì)算前幾階即可。對(duì)于本保險(xiǎn)杠模型的模態(tài)分析需要進(jìn)行自由模態(tài)和約束模態(tài)，考慮實(shí)際中只有前幾階影響較大，故在分析時(shí)取前六階來計(jì)算。（由于篇幅原因，本文只展示前四階結(jié)果）2.3.1自由模態(tài)自由模態(tài)分析即沒有約束條件下的模態(tài)分析，是為了得到物體本身所具有的的動(dòng)態(tài)特性而做的分析。該分析與保險(xiǎn)杠實(shí)際使用情況不符，其結(jié)果只做為參考，目的是為了驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)其本身動(dòng)態(tài)特性是否提升。圖2.3保險(xiǎn)杠前四階自由模態(tài)經(jīng)分析得到前四階自由模態(tài)計(jì)算結(jié)果，第一階頻率1.65Hz,左右異向擺動(dòng)；第二階3.01Hz，左右同向擺動(dòng)；第三階3.98Hz,左右異向扭動(dòng)；第四階5.24Hz，左右同向扭動(dòng)。2.3.2約束模態(tài)圖2.4約束模態(tài)的約束約束模態(tài)是模擬保險(xiǎn)杠安裝在車身上的使用情況而進(jìn)行的模態(tài)分析，其約束條件為圖2.4所示紅色區(qū)域全約束（模擬安裝時(shí)卡扣位置的約束）。該分析更符合實(shí)際使用情況，因此該分析結(jié)果更準(zhǔn)確，參考價(jià)值更大。圖2.5保險(xiǎn)杠前四階約束模態(tài)經(jīng)分析得到前四階約束模態(tài)計(jì)算結(jié)果，第一階64.9Hz,左下部異向鼓動(dòng)；第二階66.3Hz，右側(cè)鼓動(dòng)；第三階66.5Hz,左側(cè)鼓動(dòng)；第四階66.8Hz，左下部同向鼓動(dòng)?？紤]路面激勵(lì)為0~25Hz，發(fā)動(dòng)機(jī)工作頻率大約為27Hz，再根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)以及某主機(jī)廠提供的數(shù)據(jù)，保險(xiǎn)杠的頻率應(yīng)該大于30Hz才能夠避開共振。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，一階頻率為64.9Hz，滿足要求。2.4保險(xiǎn)杠抗凹分析對(duì)后保險(xiǎn)杠做抗凹分析是為了檢測(cè)保險(xiǎn)杠局部剛度，保險(xiǎn)杠局部剛度的好壞會(huì)影響成本和整車的品質(zhì)，同時(shí)也會(huì)影響用戶的使用體驗(yàn)和滿意程度。模擬人手指按壓保險(xiǎn)杠表面，根據(jù)產(chǎn)生變形的位移大小來計(jì)算該模型的局部剛度。2.4.1抗凹分析原理及前處理保險(xiǎn)杠模型具有對(duì)稱性，故只在一半的模型做抗凹能力的測(cè)試。首先是約束條件的施加，采用和約束模態(tài)分析時(shí)同樣的約束條件；由于是模擬人手指按壓蒙皮表面，故載荷不能施加在某一節(jié)點(diǎn)，而是具有一定范圍的單元，這里考慮創(chuàng)建Rb3單元，載荷施加在單元的從動(dòng)點(diǎn)，同時(shí)該分析為線性分析，發(fā)生彈性形變，載荷不宜過大，以免超出彈性形變范圍。本分析中載荷大小取50N。圖2.6抗凹分析示意圖圖2.7局部坐標(biāo)系及局部約束的施加該保險(xiǎn)杠模型是曲面結(jié)構(gòu)，為了保證施加載荷垂直曲面特意創(chuàng)建局部坐標(biāo)系，載荷施加方向?yàn)榫植孔鴺?biāo)的Z方向；通過輸出節(jié)點(diǎn)位移，根據(jù)位移大小判斷局部剛度的大小，需要保證節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生位移的方向是沿著載荷方向的。所以還需施加局部自由度約束，只讓節(jié)點(diǎn)在局部坐標(biāo)Z方向產(chǎn)生位移。2.4.2結(jié)果統(tǒng)計(jì)及對(duì)比分析經(jīng)過靜力計(jì)算之后，得到各節(jié)點(diǎn)的位移大小，利用公式計(jì)算各點(diǎn)局部剛度。（2.6）式中k為剛度，單位為N/mm，P為作用于結(jié)構(gòu)的恒力，δ是由于力的作用而產(chǎn)生的位移，單位為mm。圖2.81-4節(jié)點(diǎn)位移云圖圖2.91節(jié)點(diǎn)位移云圖圖2.1012-15節(jié)點(diǎn)位移云圖圖2.112節(jié)點(diǎn)位移云圖圖2.1223節(jié)點(diǎn)位移云圖表2.2原始模型局部位移及剛度統(tǒng)計(jì)加載點(diǎn)原始模型位移（mm）剛度（N/mm）10.95752.221.72928.931.46534.141.77528.250.491101.864.04512.472.61619.1112.32921.5123.51814.2132.59919.2140.81861.2151.57231.8163.32615.0172.10823.7210.56089.3220.73767.9230.99550.2從數(shù)據(jù)來看，受約束位置影響，11-17節(jié)點(diǎn)位置的局部剛度整體偏小，1-7和21-23節(jié)點(diǎn)局部剛度較強(qiáng)，即模型上下位置局部剛度較好，中間部位較差。后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)提高中間部位抗凹能力。本章小結(jié)本章介紹了有限元分析的方法及意義以及模態(tài)分析原理，并以此為依據(jù)對(duì)保險(xiǎn)杠原始模型進(jìn)行了自由模態(tài)、約束模態(tài)分析和局部剛度測(cè)試，為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的分析提供對(duì)照，作為判斷結(jié)構(gòu)性能是否提升的依據(jù)。

第三章保險(xiǎn)杠低速碰撞仿真分析保險(xiǎn)杠作為汽車重要前后端防護(hù)裝置，除了保護(hù)車身減小事故中車輛損失外，目前也被廣泛應(yīng)用于行人保護(hù)。故保險(xiǎn)杠在低速碰撞中的性能至關(guān)重要，必須滿足國(guó)標(biāo)GB17354-1998（汽車前、后端保護(hù)裝置）。本章將利用LS-Dyna對(duì)保險(xiǎn)杠進(jìn)行低速碰撞仿真分析，探究保險(xiǎn)杠原始模型在低速碰撞中的性能。3.1碰撞仿真分析理論汽車碰撞指的是汽車在極短的時(shí)間內(nèi)在外力的作用下車身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生快速的非線性大變形，是一個(gè)瞬態(tài)的復(fù)雜物理過程，包含碰撞結(jié)構(gòu)以大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)和大應(yīng)變?yōu)樘卣鞯膸缀畏蔷€性和各種材料發(fā)生大應(yīng)變時(shí)所表現(xiàn)的物理非線性。碰撞仿真分析的本質(zhì)是求解一個(gè)給定初始條件和初邊界條件的偏微分方程,其中動(dòng)態(tài)接觸的邊界條件在求解之前是未知的,即求解汽車在典型的動(dòng)態(tài)接觸問題中所受力的變化。朗格朗日法是目前使用最廣泛的汽車碰撞研究法，一般采用顯式算法的有限元方式建立汽車碰撞模型。顯式動(dòng)力學(xué)的基本方程為[12]1）平衡方程：（在V域內(nèi)）（3.1）2）幾何方程：（在V域內(nèi)）（3.2）3）物理方程：（在V域內(nèi)）（3.3）4）初始條件：（在Su邊界上）（3.4）（在Sσ邊界上）（3.5）邊界條件：（3.6）式中：ρ為質(zhì)量密度；μ為阻尼系數(shù)；ui,tt為i方向的加速度；ui,t為i方向的速度；Dijkl為應(yīng)力-應(yīng)變的轉(zhuǎn)化關(guān)系；Su為位移邊界；S為力邊界；fi為體力；Ti為面力。對(duì)空間域進(jìn)行離散，單元內(nèi)位移u，v，w的插值為（3.7）（3.8）式（3.8）求解化簡(jiǎn)后，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程（求解方程）為（3.9）式中：為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)加速度向量，為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)速度向量，M為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣；C為系統(tǒng)阻尼矩陣；K為系統(tǒng)剛度矩陣；Q（t）為系統(tǒng)結(jié)點(diǎn)載荷向量，分別由各自的單元矩陣和向量集成。在LS-DYNA中，采用直接積分法中的中心差分法對(duì)運(yùn)動(dòng)方程式（3.9）進(jìn)行積分。在中間差分法中，加速度和速度用位移表示為（3.10）（3.11）式（3.9）和式（3.10）代入式（3.8）得：（3.12）因?yàn)橹行牟罘址ㄊ菞l件穩(wěn)定算法，所以當(dāng)使用該方法時(shí)，時(shí)間步長(zhǎng)△t必須小于該狀況所決定的某個(gè)臨界值△tcr，否則算法是不穩(wěn)定的。中心差分法解的穩(wěn)定性條件為:（3.13）式中：Tn為有限元系統(tǒng)最小固有周期；lmin為最小單元長(zhǎng)度；ρ為密度；γ為泊松比；E為彈性模量。在顯式時(shí)間積分算法中，最小時(shí)間步長(zhǎng)由材料的縱波速和最小單元尺寸決定，而縱波速是材料的密度、彈性模量和泊松比的函數(shù)。在碰撞過程中，由于材料的特性會(huì)因?yàn)樽冃魏驼郫B而發(fā)生改變，所以在分析碰撞問題時(shí)，單表面或自接觸的算法是必須的。罰函數(shù)算法是目前汽車碰撞分析所主要采用的方法。所以在做汽車碰撞分析時(shí)采用的是顯示動(dòng)力學(xué)分析軟件LS-dyna。3.2擺錘模型的建立和定義保險(xiǎn)杠碰撞仿真分析涉及多個(gè)軟件的數(shù)據(jù)交換，首先利用CAD軟件建立幾何模型，在利用CAE軟件進(jìn)行幾何處理和有限元網(wǎng)格的劃分，最后利用HyperWorks/LS-dyna進(jìn)行碰撞的模擬分析。碰撞分析中所用到的擺錘是根據(jù)GB17354-1998標(biāo)準(zhǔn)建立，尺寸規(guī)格如圖。圖3.1擺錘尺寸工程圖建立擺錘模型之后，對(duì)該模型進(jìn)行一系列的前處理工作，包括網(wǎng)格的劃分，模型材料參數(shù)及屬性的設(shè)置。圖3.2擺錘模型圖圖3.3擺錘網(wǎng)格劃分表3.1擺錘模型材料參數(shù)材料彈性模量泊松比密度配重MAT20（剛性）210GPa0.37.86e-6Kg/mm31.85t3.3保險(xiǎn)杠碰撞前處理（1）模型的導(dǎo)入進(jìn)行碰撞仿真實(shí)驗(yàn)需要將對(duì)應(yīng)模型導(dǎo)入到HyperWorks/LS-Dyna,碰撞分析包括：前處理、求解和后處理。這里簡(jiǎn)單介紹一下前處理工作。由于蒙皮材料結(jié)構(gòu)較為脆弱無法抵抗碰撞沖擊，一般放在整車上進(jìn)行分析，受限于技術(shù)水平及模型，故在進(jìn)行碰撞分析時(shí)只在后面配合防撞梁來進(jìn)行分析。模型的網(wǎng)格劃分、材料屬性的定義之前已經(jīng)完成，第一步便是把模型放在整車坐標(biāo)系中，固定模型的初始位置，其中擺錘按照GB17354-1998規(guī)定離地高度為445mm。圖3.4正碰模型圖3.5偏置300mm碰撞模型圖3.660°角碰模型（2）接觸的定義在碰撞分析中模型因?yàn)槭艿脚鲎策M(jìn)而產(chǎn)生變形，在實(shí)際情況中外層物體接觸到內(nèi)層物體時(shí)會(huì)隨著一起變形，不會(huì)出現(xiàn)穿透情況，而有限元分析中每個(gè)模型都是獨(dú)立的，為了防止分析中出現(xiàn)滲透或穿透現(xiàn)象，需要定義接觸，在可能發(fā)生接觸的位置都定義接觸，定義類型為contact--Automatic--single-surface.初始邊界條件和載荷的設(shè)置碰撞初速度根據(jù)GB17354-1998的要求，在正碰和偏置碰撞分析中，擺錘的初速度定義為4Km/h，而60°角碰中擺錘的初速度為2.5Km/h。接觸和摩擦系數(shù)的選擇有接觸就會(huì)發(fā)生摩擦，擺錘的剛性材料與保險(xiǎn)杠模型的接觸，軟件可以自動(dòng)確定接觸表面的模型，而摩擦和摩擦力可以通過設(shè)置動(dòng)摩擦系數(shù)（FD）和靜摩擦系數(shù)（FS）來設(shè)定。本分析中FD和FS均取0.1.控制參數(shù)的設(shè)定：由于碰撞分析是一種瞬時(shí)狀態(tài)，故取中止時(shí)間為0.5S.約束條件在實(shí)際碰撞中由于保險(xiǎn)杠和車身質(zhì)量差別巨大，忽略車體后移，為了模擬真實(shí)情況需要設(shè)置約束條件，在如圖3.7所示位置施加全約束。（偏置碰和角碰的約束條件與此相同）圖3.7碰撞仿真分析約束條件的施加3.4碰撞分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)3.4.1正碰分析結(jié)果圖3.8保險(xiǎn)杠和防撞梁正碰最大位移和最大塑性應(yīng)變圖圖3.9正碰能量變化圖3.10正碰安全監(jiān)測(cè)從分析結(jié)果來看，保險(xiǎn)杠最大位移為63.4mm,最大塑性應(yīng)變?yōu)?.013；防撞梁最大位移為36.2mm，最大塑性應(yīng)變?yōu)?.13。且碰撞過程中能量守恒，沙漏能占比小，在產(chǎn)生最大位移時(shí)未對(duì)車體后備箱及其他部件造成嚴(yán)重?fù)p傷，符合國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)。3.4.2偏置300mm碰撞分析結(jié)果圖3.11保險(xiǎn)杠和防撞梁偏置碰最大位移和最大塑性應(yīng)變圖圖3.12偏置碰能量變化圖3.13偏置碰安全監(jiān)測(cè)在偏置碰撞中，保險(xiǎn)杠最大位移為61.9mm,最大塑性應(yīng)變?yōu)?.022；防撞梁最大位移為35.2mm，最大塑性應(yīng)變?yōu)?.11。且碰撞過程中能量守恒，沙漏能占比小，在產(chǎn)生最大位移時(shí)未對(duì)車體后備箱及其他部件造成嚴(yán)重?fù)p傷，符合國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)。3.4.360°角碰分析結(jié)果圖3.14保險(xiǎn)杠和防撞梁角碰最大位移和最大塑性應(yīng)變圖圖3.15角碰能量變化圖3.16角碰安全監(jiān)測(cè)在60°角碰中，保險(xiǎn)杠最大位移為120.1mm,最大塑性應(yīng)變?yōu)?.090；防撞梁最大位移為23.1mm，最大塑性應(yīng)變?yōu)?.18。且碰撞過程中能量守恒，沙漏能占比小，在產(chǎn)生最大位移時(shí)未對(duì)車體后備箱及其他部件造成嚴(yán)重?fù)p傷，符合國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)。碰撞分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)三種碰撞分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)匯總?cè)缦?，方便后續(xù)對(duì)比分析。表3.2原始模型碰撞分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)碰撞類型保險(xiǎn)杠蒙皮后防撞梁正中4.0Km/h縱向碰撞位移/mm63.436.2塑性應(yīng)變0.0130.13是否干涉否正中偏置300mm，4.0Km/h縱向碰撞位移/mm61.935.2塑性應(yīng)變0.0220.11是否干涉否60度角碰，2.5Km/h碰撞位移/mm120.123.1塑性應(yīng)變0.0900.18是否干涉否本章小結(jié)本章首先介紹了有限元碰撞仿真的理論依據(jù)，并依照國(guó)標(biāo)建立擺錘模型，利用LS-dyna軟件按照GB-17354要求對(duì)保險(xiǎn)杠原始模型進(jìn)行了正碰、偏置碰和角碰仿真分析，查看碰撞變形圖并提取數(shù)據(jù)。經(jīng)過分析，未造成車身及其他部件損傷，符合國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)，但耐撞性仍有待提高。

第四章保險(xiǎn)杠的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的在于尋求既安全又經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式。拓?fù)鋬?yōu)化可以得到結(jié)構(gòu)的最佳材料分布，本次優(yōu)化分析是以加權(quán)應(yīng)變能（WeightedComp）最小化為目標(biāo)進(jìn)行的拓?fù)鋬?yōu)化，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化后的單元密度云圖對(duì)保險(xiǎn)杠進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證或提高剛度的同時(shí)滿足輕量化要求。4.1拓?fù)鋬?yōu)化基本思想拓?fù)鋬?yōu)化的基本思想是在一個(gè)連續(xù)的區(qū)域內(nèi)尋找結(jié)構(gòu)內(nèi)部非實(shí)體的區(qū)域位置以及數(shù)量的最佳匹配，優(yōu)化結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件布局以及節(jié)點(diǎn)的聯(lián)結(jié)方式，最終使結(jié)構(gòu)在滿足一些約束條件下，將載荷傳遞到結(jié)構(gòu)支撐位置，讓結(jié)構(gòu)的某種性能達(dá)到最優(yōu)[7]。拓?fù)鋬?yōu)化方法是結(jié)構(gòu)優(yōu)化中一種比較復(fù)雜的方法，同時(shí)也是目前結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的一個(gè)熱點(diǎn)。隨著結(jié)構(gòu)優(yōu)化的不斷發(fā)展，更改層次的拓?fù)鋬?yōu)化逐漸成為新的研究焦點(diǎn)；此外，拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化相比，它的設(shè)計(jì)自由度更大以及設(shè)計(jì)空間也較大，能夠滿足苛刻的設(shè)計(jì)要求，因此隨著這些要求越來越高，拓?fù)鋬?yōu)化的研究也越來越深入。拓?fù)鋬?yōu)化主要包括三個(gè)要素，分別是設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)以及約束條件。設(shè)計(jì)變量是在優(yōu)化過程中描述結(jié)構(gòu)特性的量，它的數(shù)值是可以改變的，拓?fù)鋬?yōu)化就是改變數(shù)值從而增強(qiáng)其目標(biāo)性能；目標(biāo)函數(shù)是要求最優(yōu)的設(shè)計(jì)性能，是關(guān)于設(shè)計(jì)變量的函數(shù)；約束條件是對(duì)設(shè)計(jì)的限制，是對(duì)設(shè)計(jì)變量和其他性能的要求，優(yōu)化過程中在滿足約束條件下改變?cè)O(shè)計(jì)變量，使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)。4.2模型工況的加載在進(jìn)行優(yōu)化分析時(shí)首先是對(duì)模型進(jìn)行工況的加載和計(jì)算，查看模型在所受工況下的效果，然后設(shè)置優(yōu)化條件，包括：響應(yīng)、約束、設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)。第一步便是工況的加載，之前對(duì)保險(xiǎn)杠原始模型進(jìn)行了模態(tài)、局部剛度、碰撞分析，現(xiàn)要將三種分析的工況加載。其中碰撞分析的工況轉(zhuǎn)化為靜力加載在模型上，考慮碰撞的特性和模型材料的因素，在加載時(shí)建立Rb3單元，以100N大小的力加載到單元從動(dòng)點(diǎn)。圖4.1為優(yōu)化模型工況示意圖。圖4.1工況加載示意圖4.3優(yōu)化條件的設(shè)置設(shè)計(jì)變量的添加由于保險(xiǎn)杠蒙皮是汽車車身外部構(gòu)件，故外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)屬于工業(yè)設(shè)計(jì)范疇，本課題只針對(duì)內(nèi)部進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)該模型是2D殼單元，所以首先要在內(nèi)部添加實(shí)體單元作為設(shè)計(jì)域，該操作由3D-elementoffset進(jìn)行，本分析添加了3層實(shí)體單元，每層5mm.為了不影響后面分析，在偏置出實(shí)體單元后還需清理一些邊緣產(chǎn)生擠壓的部分。圖4.2設(shè)計(jì)變量的添加（圖中灰色部分）拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)空間選取添加實(shí)體單元的單元密度作為本次優(yōu)化分析的設(shè)計(jì)空間，同時(shí)定義對(duì)稱約束和成員尺寸范圍。本課題是基于3D打印制造技術(shù)，所以不再考慮拔模方向的約束。圖4.3設(shè)計(jì)變量的定義響應(yīng)、約束、目標(biāo)的定義響應(yīng)為了提高優(yōu)化模型的模態(tài)頻率，需要定義相關(guān)響應(yīng)，本分析定義了自由模態(tài)和約束模態(tài)前四階響應(yīng)，同時(shí)定義了體積分?jǐn)?shù)和加權(quán)應(yīng)變能響應(yīng)。約束對(duì)模態(tài)頻率響應(yīng)和體積分?jǐn)?shù)響應(yīng)進(jìn)行約束，其中頻率的約束是根據(jù)原始模型模態(tài)分析結(jié)果來定義的，將之前得到的頻率數(shù)值設(shè)為最小值，自由模態(tài)前四階頻率約束最小值為1.65,3.01,3.98,5.24；約束模態(tài)前四階約束為64.9,66.3,66.5,66.8；體積分?jǐn)?shù)約束設(shè)置為0.3。目標(biāo)：加權(quán)應(yīng)變能最小化。優(yōu)化控制的設(shè)置優(yōu)化的結(jié)果受很多參數(shù)的控制，其中離散度默認(rèn)為1，由于本分析主要成員為實(shí)體，同時(shí)為了使結(jié)果更明顯，所以離散度（DISCRETE）參數(shù)設(shè)置為5。4.4優(yōu)化結(jié)果展示圖4.4拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果拓?fù)鋬?yōu)化分析的結(jié)果可以為接下來結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，根據(jù)本次優(yōu)化結(jié)果直觀的看出應(yīng)變能較為集中的區(qū)域，這些區(qū)域就是二次設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意和調(diào)整的地方。同時(shí)還要調(diào)整蒙皮厚度以實(shí)現(xiàn)輕量化要求。另外在進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析時(shí)，也有其他多種方案可以進(jìn)行，例如，更改應(yīng)變能響應(yīng)和體積分?jǐn)?shù)響應(yīng)，定義體積響應(yīng)，設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)為體積最小化，這樣可以直接達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)的目的。本章小結(jié)本章簡(jiǎn)單介紹了優(yōu)化設(shè)計(jì)意義，并完成了以加權(quán)應(yīng)變能（WeightedComp）最小化為目標(biāo)的拓?fù)鋬?yōu)化，為保險(xiǎn)杠模型的二次設(shè)計(jì)提供依據(jù)。第五章保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析對(duì)原始模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，其結(jié)果為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)，除了保證結(jié)構(gòu)的局部剛度之外，優(yōu)化設(shè)計(jì)還有著輕量化的要求，故在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)還要對(duì)材料的用量進(jìn)行控制?；?D打印理念對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，而設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)是否能滿足其使用要求，其整體性能較原始模型是否有了進(jìn)一步的提升，則需要重新進(jìn)行分析并對(duì)比，最終選擇性能更好的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)利用3D打印進(jìn)行生產(chǎn)制造。5.1方案一的設(shè)計(jì)及分析方案一的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在上一章中進(jìn)行了以加權(quán)應(yīng)變能最小化為目標(biāo)的拓?fù)鋬?yōu)化，其優(yōu)化結(jié)果為保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。而3D打印可以根據(jù)計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果對(duì)零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)汽車輕量化?；谠摾砟顚?duì)保險(xiǎn)杠模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，由于保險(xiǎn)杠屬于外觀件，實(shí)現(xiàn)輕量化的要求必然要通過減小模型厚度來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)為了保證模型局部剛度以及耐撞性，需在模型內(nèi)部設(shè)置加強(qiáng)筋。利用傳統(tǒng)注塑工藝對(duì)保險(xiǎn)杠進(jìn)行制造時(shí)，設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋要注意脫模的可行性。為了防止脫模過程中由于加強(qiáng)筋過大導(dǎo)致的損壞，一般加強(qiáng)筋的高度控制在加強(qiáng)筋厚度的5倍以內(nèi)，且加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)方向應(yīng)與物料流向一致。而利用3D打印技術(shù)制造一次成型沒有脫模環(huán)節(jié)，則不需要有這些因素的限制。故在設(shè)置加強(qiáng)筋時(shí)適當(dāng)提高加強(qiáng)筋的高度并配合調(diào)整蒙皮厚度，使結(jié)構(gòu)最大限度的滿足輕量化的要求。圖5.1方案一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖確定方案一模型結(jié)構(gòu)如圖5.1所示，加強(qiáng)筋主要由橫向、縱向和局部交叉型組成。較原始模型作出以下調(diào)整：原始模型厚度3mm,方案一模型蒙皮厚度2mm，內(nèi)部筋的高度18mm，厚度3mm，質(zhì)量由原來的3.071Kg降為2.754Kg，減重10.3%。5.1.2方案一的模態(tài)分析及對(duì)比在進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析時(shí)對(duì)其頻率添加了約束，設(shè)置了自由模態(tài)和約束模態(tài)前四階頻率的最小值。目的是為了提高模態(tài)分析時(shí)前幾階的頻率，從而提高模型的的動(dòng)態(tài)特性。在對(duì)方案一模型進(jìn)行約束模態(tài)分析時(shí)約束條件和之前保持相同。方案一模態(tài)分析前四階頻率如圖5.2-5.3所示：圖5.2方案一前四階自由模態(tài)圖5.3方案一前四階約束模態(tài)得到方案一模態(tài)分析前四階頻率與原始模型進(jìn)行對(duì)比，判斷模型動(dòng)態(tài)特性是否提升。方案一與原始模型模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比如表5.1所示：表5.1方案一與原始模型模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比階數(shù) 原始模型（3.071Kg） 方案一（2.754Kg）自由模態(tài)11.65Hz1.03Hz23.01Hz2.79Hz33.98Hz5.85Hz45.24Hz6.08Hz約束模態(tài)164.9Hz80.0Hz266.3Hz90.7Hz366.5Hz94.3Hz466.8Hz95.2Hz從模態(tài)分析結(jié)果來看，方案一自由模態(tài)前兩階頻率略有下降外，整體頻率皆有所提高，自由模態(tài)不考慮任何約束條件，是結(jié)構(gòu)本身的固有特性，參考價(jià)值較小。約束模態(tài)分析更符合保險(xiǎn)杠實(shí)際使用情況，參考價(jià)值更大，根據(jù)數(shù)據(jù)分析方案一模型的動(dòng)態(tài)特性較原始模型有所提升。5.1.3方案一的局部剛度分析及對(duì)比對(duì)比分析中需保持單一變量，原始模型在一側(cè)17個(gè)不同位置添加工況測(cè)試節(jié)點(diǎn)位移，對(duì)方案一模型的剛度分析在同樣位置添加工況測(cè)試節(jié)點(diǎn)的位移，通過對(duì)比位移大小判斷局部剛度的提升。通過查看輸出節(jié)點(diǎn)的位移大小利用公式計(jì)算局部剛度，現(xiàn)將計(jì)算結(jié)果匯總?cè)缦虏⑴c原始模型對(duì)比。表5.2方案一與原始模型局部剛度分析結(jié)果對(duì)比施加點(diǎn)原始模型位移（mm）剛度（N/mm）方案一位移（mm）剛度（N/mm）10.95752.20.217230.221.72928.91.42535.131.46534.11.47034.041.77528.21.94125.850.491101.80.474105.564.04512.42.35721.172.61619.12.69118.6112.32921.50.455109.9123.51814.21.34037.3132.59919.20.72069.4140.81861.20.397125.8151.57231.80.91154.9163.32615.01.99525.2172.10823.70.95152.6210.56089.30.327153.0220.73767.90.68173.4230.99550.20.98350.9對(duì)比前后兩種模型的局部剛度大小，可以看出經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的模型在整體數(shù)值上增大，尤其11-17點(diǎn)，即模型中間部位局部剛度提升明顯。故而經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的方案一模型抵抗彈性變形的能力更強(qiáng)。5.1.4方案一的碰撞分析及對(duì)比對(duì)方案一模型進(jìn)行碰撞分析，只需將之前碰撞仿真分析中的原始模型替換即可，其余前處理工作相同，這里不再贅述，直接展示結(jié)果。（1）正碰分析：圖5.4保險(xiǎn)杠和防撞梁正碰最大位移和最大塑性應(yīng)變圖圖5.5正碰能量變化圖5.6正碰安全監(jiān)測(cè)（2）偏置碰撞分析：圖5.7保險(xiǎn)杠和防撞梁偏置碰最大位移和最大塑性應(yīng)變圖圖5.8偏置碰能量變化圖5.9偏置碰安全監(jiān)測(cè)（3）60°角碰分析：圖5.10保險(xiǎn)杠和防撞梁角碰最大位移和最大塑性應(yīng)變圖圖5.11角碰能量變化圖5.12角碰安全監(jiān)測(cè)通過提取碰撞分析中模型變形數(shù)據(jù)判斷其耐撞性，根據(jù)碰撞過程中能量變化可以看出能量守恒且沙漏能占比小，安全監(jiān)測(cè)中其他部件并未受到嚴(yán)重?fù)p傷滿足GB17354-1998要求。表5.3為方案一與原始模型碰撞分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及對(duì)比。表5.3方案一與原始模型碰撞分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)及對(duì)比碰撞類型原始模型/3.071Kg方案一模型/2.754Kg蒙皮后防撞梁蒙皮后防撞梁正中4.0Km/h縱向碰撞位移/mm63.436.253.830.2塑性應(yīng)變0.0130.130.450.11是否干涉否否正中偏置300mm，4.0Km/h縱向碰撞位移/mm61.935.256.432.1塑性應(yīng)變0.0220.110.600.09是否干涉否否60度角碰，2.5Km/h碰撞位移/mm120.123.1135.715.2塑性應(yīng)變0.0909是否干涉否否通過對(duì)比前后兩種模型在碰撞分析中的表現(xiàn)，可以看出在正碰和偏置碰中方案一的模型最大位移更小，角碰中變大，塑性應(yīng)變較原來均增大。在前后兩種模型的保護(hù)下，車體及后備廂均未受到嚴(yán)重?fù)p害。而方案一模型的碰撞分析中，后防撞梁所產(chǎn)生的最大位移和塑性應(yīng)變較原來均有所降低。所以整體比較分析，方案一模型具有更好的耐撞性，能夠?yàn)檐圀w及其他部件提供更好的保護(hù)。5.2方案二的設(shè)計(jì)及分析5.2.1方案二的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在對(duì)方案一進(jìn)行分析之后得到該模型的分析數(shù)據(jù)，并對(duì)比原始模型分析數(shù)據(jù)，性能雖略有提升，但耐撞性仍有提升空間。下面在方案一的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)，得到方案二的模型（如下圖），對(duì)方案二進(jìn)行有限元分析并對(duì)比方案一，從中選擇更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。圖5.13方案二結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖方案二采用“米”字型結(jié)構(gòu)，相比于方案一內(nèi)部筋的數(shù)量有所增多，這對(duì)蒙皮整體剛度及使用表現(xiàn)的提高有益。為了不增加重量，對(duì)蒙皮及加強(qiáng)筋厚度做出了如下調(diào)整：原始模型厚度3mm；方案一模型蒙皮厚度2mm，內(nèi)部筋的高度18mm，厚度3mm。質(zhì)量由原來的3.071Kg降為2.754Kg，減重10.3%。方案二模型蒙皮厚度1.8mm，內(nèi)部黃色筋厚度1.8mm,其他筋厚度2mm,高度均為18mm，質(zhì)量由原來的3.071Kg降為2.794Kg，減重9%。5.2.2方案二的模態(tài)分析及對(duì)比通過模態(tài)分析得到方案二前四階自由模態(tài)和約束模態(tài)頻率，并與原始模型及方案一進(jìn)行對(duì)比，判斷其動(dòng)態(tài)特性是否提升。方案二模態(tài)分析前四階頻率如圖5.2-5.3所示：圖5.14方案二自由模態(tài)前四階頻率圖5.15方案二約束模態(tài)前四階頻率表5.4方案二模型模態(tài)頻率統(tǒng)計(jì)及對(duì)比階數(shù)原始模型（3.071Kg）方案一（2.754Kg）方案二（2.794Kg）自由模態(tài)11.65Hz1.03Hz2.05Hz23.01Hz2.79Hz3.19Hz33.98Hz5.85Hz6.94Hz45.24Hz6.08Hz11.04Hz約束模態(tài)164.9Hz80.0Hz84.5Hz266.3Hz90.7Hz91.8Hz366.5Hz94.3Hz101.3Hz466.8Hz95.2Hz102.3Hz從模態(tài)分析結(jié)果來看，方案二自由模態(tài)和約束模態(tài)前四階頻率較原始模型和方案一比較皆有所增高，故方案二模型的動(dòng)態(tài)特性較方案一略有提升。5.2.3方案二的局部剛度分析及對(duì)比對(duì)方案二模型進(jìn)行局部剛度分析，通過查看輸出節(jié)點(diǎn)的位移大小利用公式計(jì)算局部剛度，判斷該方案在外力作用下抵抗變形的能力是否提升?，F(xiàn)將計(jì)算結(jié)果匯總?cè)缦虏⑴c原始模型及方案一模型進(jìn)行對(duì)比如表5.5所示。表5.5方案二局部剛度分析結(jié)果對(duì)比原始模型/3.071kg方案一模型/2.754kg方案二模型/2.794kg位移（mm）剛度（N/mm）位移（mm）剛度（N/mm）位移（mm）剛度（N/mm）10.95752.20.217230.20.257194.321.72928.91.42535.11.38636.131.46534.11.47034.01.52532.841.77528.21.94125.81.50033.350.491101.80.474105.50.469106.764.04512.42.35721.11.95525.672.61619.12.69118.62.61319.1112.32921.50.455109.90.50998.2123.51814.21.34037.31.29438.6132.59919.20.72069.40.71969.5140.81861.20.397125.80.398125.8151.57231.80.91154.90.77064.9163.32615.01.99525.22.11023.7172.10823.70.95152.60.59484.1210.56089.30.327153.00.308162.3220.73767.90.68173.40.54392.0230.99550.20.98350.90.82360.7經(jīng)過局部剛度分析計(jì)算，對(duì)比原始模型和方案一模型，可以看出經(jīng)過又一次的結(jié)構(gòu)調(diào)整之后，其局部剛度得到了進(jìn)一步的提升，即受到外力作用時(shí)抵抗變形的能力有所加強(qiáng)。5.2.4方案二的碰撞分析及對(duì)比本課題所研究的模型都必須要滿足GB17354-1998，對(duì)方案二模型進(jìn)行低速碰撞仿真分析，驗(yàn)證該模型是否滿足要求。方案二低速碰撞仿真結(jié)果如圖5.16-5.24所示。1、正碰圖5.16保險(xiǎn)杠和防撞梁正碰最大位移和最大塑性應(yīng)變圖圖5.17正碰能量變化圖5.18正碰安全監(jiān)測(cè)正中300mm偏置碰撞圖5.19保險(xiǎn)杠和防撞梁正碰最大位移和最大塑性應(yīng)變圖圖5.20偏置碰能量變化圖5.21偏置碰安全監(jiān)測(cè)60°角碰分析圖5.22保險(xiǎn)杠和防撞梁正碰最大位移和最大塑性應(yīng)變圖圖5.2360°角碰能量變化圖5.2460°角碰安全監(jiān)測(cè)經(jīng)碰撞分析得到蒙皮和防撞梁最大位移和塑性應(yīng)變，根據(jù)碰撞過程中能量變化可以看出能量守恒且沙漏能占比小，安全監(jiān)測(cè)中其他部件并未受到嚴(yán)重?fù)p傷滿足GB17354-1998要求。方案二模型與原始模型及方案一碰撞分析結(jié)果對(duì)比如表5.6所示:表5.6方案二模型碰撞分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)及對(duì)比碰撞類型原始模型/3.071Kg方案一模型/2.754Kg方案二模型/2.794Kg蒙皮后防撞梁蒙皮后防撞梁蒙皮后防撞梁正中4.0Km/h縱向碰撞位移/mm63.436.253.830.252.335.6塑性應(yīng)變0.0130.130.450.110.490.10是否干涉否否否正中偏置4.0Km/h縱向碰撞位移/mm61.935.256.432.154.435.4塑性應(yīng)變0.0220.110.600.090.510.08是否干涉否否否角碰，2.5Km/h碰撞位移/mm120.123.1135.715.2129.114.3塑性應(yīng)變0.09090.160.07是否干涉否否否通過對(duì)比三種模型在碰撞分析中的表現(xiàn)情況，發(fā)現(xiàn)較于原始模型來說，在兩種方案模型的保護(hù)下，后防撞梁所產(chǎn)生的最大位移和塑性應(yīng)變皆有所降低，且方案二下的防撞梁所產(chǎn)生的塑性應(yīng)變更小。同時(shí)方案二中蒙皮自身所產(chǎn)生的位移及塑性應(yīng)變較方案一更小。在兩種方案的碰撞分析中，車體及后備廂均未受到嚴(yán)重?fù)p害。從數(shù)據(jù)來綜合分析，兩種方案在碰撞分析中的表現(xiàn)各有千秋，方案一對(duì)防撞梁保護(hù)更好，方案二蒙皮自身變形更小。結(jié)合兩種方案在模態(tài)、局部剛度分析中的表現(xiàn)，則是方案二更有優(yōu)勢(shì)。其動(dòng)態(tài)特性及抵抗外力變形的能力更優(yōu)，同時(shí)兩種方案的減重效果相近，整體質(zhì)量相差不大。故決定以方案二作為最終設(shè)計(jì)方案，并通過3D打印技術(shù)中的溶融沉積成型技術(shù)加以制造。該技術(shù)已經(jīng)基本成熟，運(yùn)行平穩(wěn)，高響應(yīng)，能夠保證零件精度及表面質(zhì)量。5.3可行性及成本分析5.3.1可行性分析對(duì)保險(xiǎn)杠進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以滿足輕量化的要求，首先從安全標(biāo)準(zhǔn)來分析，更加輕量的結(jié)構(gòu)卻依然可以滿足GB-17354的要求，同時(shí)剛度的提升使得內(nèi)部防撞梁在碰撞分析中產(chǎn)生的位移及塑性應(yīng)變更小。說明該優(yōu)化結(jié)構(gòu)對(duì)車身部件的保護(hù)能力得到加強(qiáng)，提升了汽車整體的安全性。從社會(huì)角度出發(fā)，汽車整體安全性的提高將會(huì)有效降低事故中的車輛及人員損失，同時(shí)降低了后期維修成本，避免了社會(huì)資源的過度使用。而使用更加輕量的結(jié)構(gòu)降低了車身重量，對(duì)于提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性有著積極的作用，同等情況下，更輕的車身將消耗更少的燃油。故在提高燃油經(jīng)濟(jì)性方面除了改善發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率外，對(duì)汽車輕量化的研究也必不可少。石油是不可再生資源，燃油消耗的減少不僅可以減緩我國(guó)能源危機(jī)的緊張形勢(shì)，而且可以極大的延緩我國(guó)能源枯竭的時(shí)間，從而最大限度的實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。燃油消耗的降低不僅是對(duì)能源的保護(hù)，對(duì)于環(huán)境和健康的作用也不可忽視。汽車尾氣是污染生態(tài)環(huán)境的重要污染源，嚴(yán)重危害著人們的身體健康。更少的耗油量帶來的是更低的尾氣排放，能夠有效減少環(huán)境破壞，從而幫助實(shí)現(xiàn)我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的目標(biāo)。5.3.2成本分析目前保險(xiǎn)杠被廣泛應(yīng)用于保護(hù)行人方面，從最初的的金屬保險(xiǎn)杠到現(xiàn)在的塑料保險(xiǎn)杠不僅降低了質(zhì)量和生產(chǎn)成本，也大大降低了行人受到傷害時(shí)的損傷程度。更加輕量化的結(jié)構(gòu)使用了更少的材料，對(duì)于汽車制造商來說在大批量生產(chǎn)中有效得降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)質(zhì)量的減輕帶來更低的燃油消耗，對(duì)國(guó)家社會(huì)而言避免了能源的過度使用，對(duì)消費(fèi)者車主而言降低了日常用車成本。盡管結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性將會(huì)提高制造難度，但在3D打印技術(shù)的支持下不僅可以減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)，降低人工成本，對(duì)于加快生產(chǎn)周期優(yōu)化產(chǎn)業(yè)類型也有著積極作用。3D打印技術(shù)采用增材制造一次成型，無需模具，節(jié)省了開模成本，另外在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整時(shí)方便快捷，加快了新產(chǎn)品的研發(fā)周期，縮短了制造流程。對(duì)保險(xiǎn)杠進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí)必不可少需要對(duì)厚度做出調(diào)整，而一旦降低蒙皮厚度，其局部剛度勢(shì)必會(huì)受到影響。保險(xiǎn)杠局部剛度的好壞會(huì)影響到成本和整車的品質(zhì)，同時(shí)也會(huì)影響用戶的使用體驗(yàn)和滿意程度，進(jìn)而影響用戶的口碑和該品牌銷量，故在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)采用的是加權(quán)應(yīng)變能最小化為目標(biāo)的拓?fù)鋬?yōu)化。綜合分析安全、社會(huì)、環(huán)境及健康方面，本課題的研究可行，滿足相關(guān)法規(guī)要求，對(duì)社會(huì)、環(huán)境有益。結(jié)合材料成本、制造成本、使用成本，本課題的研究具有價(jià)值，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及3D打印生產(chǎn)技術(shù)的使用極大地降低了相關(guān)成本。本章小結(jié)本章根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)保險(xiǎn)杠模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，設(shè)計(jì)出兩種方案并進(jìn)行有限元分析及對(duì)比，通過對(duì)比分析結(jié)果決定采用質(zhì)量為2.794Kg的方案二為最終設(shè)計(jì)方案。最后進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性及成本分析，闡明課題進(jìn)行的意義及必要性。

第六章結(jié)論與展望6.1結(jié)論本文基于3D打印制造技術(shù)對(duì)某商用車后保險(xiǎn)杠進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)。首先對(duì)原始模型進(jìn)行了相關(guān)有限元分析，從模態(tài)、抗凹性、低速碰撞方面進(jìn)行研究，其中抗凹分析是通過模擬人手指按壓蒙皮表面進(jìn)行的，通過輸出施力節(jié)點(diǎn)的位移來判斷其抗凹能力；低速碰撞是參照我國(guó)汽車前、后端保護(hù)裝置評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)GB17354-1998，利用HyperWorks/LS-Dyna模擬車輛在不同角度、不同速度下對(duì)碰撞塊的撞擊過程，得到模型變形情況和節(jié)點(diǎn)位移、能量吸收等重要數(shù)據(jù)。之后通過目標(biāo)為加權(quán)應(yīng)變能（WeightedCompliance）最小的拓?fù)鋬?yōu)化來確定二次設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案。共進(jìn)行了兩種方案的設(shè)計(jì)，之后對(duì)二次設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行分析并對(duì)比原始模型，從而確定最終設(shè)計(jì)方案。在對(duì)原始模型進(jìn)行分析后，得到原始模型的分析數(shù)據(jù)，并以此判斷該模型在使用中的表現(xiàn)情況，同時(shí)作為對(duì)照組，與之后二次設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)對(duì)比，以便判斷設(shè)計(jì)模型的性能是否提升。優(yōu)化分析選擇目標(biāo)為加權(quán)應(yīng)變能最小化的拓?fù)鋬?yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，進(jìn)行了兩種方案的設(shè)計(jì)，通過在蒙皮背面加筋的方法來提高模型局部剛度，同時(shí)配合調(diào)整蒙皮和筋的厚度來實(shí)現(xiàn)輕量化的目標(biāo)。其中方案一質(zhì)量2.754Kg,方案二2.794Kg。對(duì)兩種方案模型的分析及對(duì)比，兩種方案的模態(tài)頻率及局部剛度都有明顯提升，動(dòng)態(tài)特性及抵抗外力變形能力都有所提高。在兩種方案模型的保護(hù)下，后防撞梁所產(chǎn)生的最大位移和塑性應(yīng)變皆有所降低，且方案二下的防撞梁所產(chǎn)生的塑性應(yīng)變更小。同時(shí)方案二中蒙皮自身所產(chǎn)生的位移及塑性應(yīng)變較方案一更小。結(jié)合兩種方案在模態(tài)、局部剛度分析中的表現(xiàn)綜合分析，則是方案二更有優(yōu)勢(shì)。其動(dòng)態(tài)特性及抵抗外力變形的能力更優(yōu)，同時(shí)兩種方案的減重效果相近，整體質(zhì)量相差不大。盡管方案二模型結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，但在3D打印制造技術(shù)的支持下，這并非難題，故決定以方案二作為最終設(shè)計(jì)方案。6.2展望本文僅僅只是對(duì)保險(xiǎn)杠這一汽車安全部件在3D打印制造技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證使用效果的情況下，最終達(dá)到了減重10%左右的效果。另外在進(jìn)行優(yōu)化分析時(shí)只做了一種優(yōu)化，根據(jù)一種優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了兩種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。本課題的分析涉及面較為局限，仍有諸多發(fā)揮空間。首先在本分析進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，可以采用多種優(yōu)化方案，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生不同方案設(shè)計(jì)。例如，進(jìn)行以體積最小化為目標(biāo)的拓?fù)鋬?yōu)化，則更為直觀的看出結(jié)構(gòu)需要做出哪些調(diào)整，對(duì)模型的二次設(shè)計(jì)也能提供更為多元的設(shè)想。依托于3D打印制造技術(shù)，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)局限性大大減小，本課題只是針對(duì)保險(xiǎn)杠進(jìn)行了研究，設(shè)想該技術(shù)大規(guī)模推廣，不僅是車體制造的應(yīng)用，內(nèi)部相關(guān)零部件也采用該技術(shù)，在提高性能的同時(shí)大大減輕質(zhì)量。這不僅可以降低生產(chǎn)成本，同時(shí)能夠提升車輛的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，對(duì)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展都有著促進(jìn)作用。而該技術(shù)所帶來的影響不僅僅體現(xiàn)在產(chǎn)品上，相對(duì)于傳統(tǒng)的工業(yè)化生產(chǎn)3D打印技術(shù)具有可縮短開發(fā)周期、可實(shí)現(xiàn)個(gè)性化制造、可設(shè)計(jì)新型車用材料以及可節(jié)約成本等特點(diǎn)。在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、外觀造型設(shè)計(jì)、內(nèi)飾設(shè)計(jì)、整體車型設(shè)計(jì)等汽車設(shè)計(jì)方面，3D打印技術(shù)也可以得到很好的應(yīng)用。其發(fā)展前景是令人欣喜的，該技術(shù)的廣泛應(yīng)用必將推動(dòng)各行各業(yè)的快速發(fā)展，汽車制造業(yè)在新的形勢(shì)下也將發(fā)生翻天覆地的變化。

致謝在本論文的撰寫過程中，本人得到了眾多老師同學(xué)的幫助，受益匪淺。在他