汽車保險杠鋁成型組件有限元分析及工藝優(yōu)化設計【三維】【含CAD高清圖紙、文檔全套】【LB4】

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理工科類 本科生畢業(yè)設計（論文）開題報告 論文(設計)題目 汽車保險杠鋁成型組件有限元分析及工藝優(yōu)化 作者所在系別 機電工程學院 作者所在專業(yè) 車輛工程 作者所在班級 B13141 作 者 姓 名 馬關益 作 者 學 號 201322416 指導教師姓名 許文娟 指導教師職稱 講師 完 成 時 間 2017 年 3 月 北華航天工業(yè)學院教務處制 說 明 1．根據(jù)學校《畢業(yè)設計(論文)工作暫行規(guī)定》，學生必須撰寫《畢業(yè)設計（論文）開題報告》。開題報告作為畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。 2．開題報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計（論文）工作前期內完成，經(jīng)指導教師簽署意見及所在專業(yè)教研室論證審查后生效。開題報告不合格者需重做。 3．畢業(yè)設計開題報告各項內容要實事求是，逐條認真填寫。其中的文字表達要明確、嚴謹，語言通順，外來語要同時用原文和中文表達。第一次出現(xiàn)縮寫詞，須注出全稱。 4．開題報告中除最后一頁外均由學生填寫，填寫各欄目時可根據(jù)內容另加附頁。 5．閱讀的主要參考文獻應在10篇以上（土建類專業(yè)文獻篇數(shù)可酌減），其中外文資料應占一定比例。本學科的基礎和專業(yè)課教材一般不應列為參考資料。 6．參考文獻的書寫應遵循畢業(yè)設計（論文）撰寫規(guī)范要求。 7．開題報告應與文獻綜述、一篇外文譯文和外文原文復印件同時提交，文獻綜述的撰寫格式按畢業(yè)設計（論文）撰寫規(guī)范的要求，字數(shù)在2000字左右。 畢業(yè)設計(論文)開題報告 學生姓名 馬關益 專 業(yè) 車輛工程 班 級 B13141 指導教師姓名 許文娟 職 稱 講師 工作單位 北華航天工業(yè)學院 課題來源 學生自擬課題 課題性質 應用設計 課題名稱 汽車保險杠鋁成型組件有限元分析及工藝優(yōu)化 本設計的科學依據(jù) （科學意義和應用前景，國內外研究概況，目前技術現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢等） 1、 汽車保險杠鋁成型組件工藝優(yōu)化的科學意義和應用前景 近年來，隨著環(huán)境污染、能源枯竭等問題的日趨嚴重以及國家政策的支持和鼓勵，汽車輕量化已越來越被人們所重視，且已逐漸成為當前和未來汽車技術發(fā)展的主要方向。鋁合金具有密度低，強度高，塑性好等物理特性，在汽車輕量化和提升碰撞安全性能等方面有著出色的表現(xiàn)，越來越受到世界各大汽車廠商的青睞。但由于鋁合金晶的體結構與普通鋼材存在很大差異，導致鋁合金板的成型性能比普通鋼板較差，而汽車上的鋁合金板材以覆蓋件形式居多，形狀較為復雜且尺寸輪廓大，導致汽車鋁合金覆蓋件在沖壓成形過程中更容易出現(xiàn)起皺、破裂、變形不足以及回彈等缺陷。這些問題不但導致材料被大量浪費，還增大了零件質量控制以及模具設計的難度，嚴重制約了鋁合金材料在汽車覆蓋件上的應用。因此，通過優(yōu)化工藝方案及工藝參數(shù)，探索出一種適合車用鋁合金材料的沖壓成形工藝來改善鋁合金覆蓋件的成品率和成形質量，成為鋁合金材料在汽車行業(yè)廣泛使用的關鍵。 2、 汽車保險杠鋁合金板材沖壓成型組件回彈問題的國內外研究狀況 汽車保險杠鋁成型組件屬于板材沖壓成型件，而對于板料沖壓成形后容易出現(xiàn)的彈性恢復問題，自上世紀50年代以來，國內外大量學者對板料回彈問題進行了深入的理論分析、模擬和實驗研究。 1、國外研究狀況 R.Hill、F.Proska、F.J.Gardiner 等人經(jīng)過多年研究，為板料成形及回彈分析奠定了理論基礎。F.Fenoglietto 等人研究了變彈性模量對板料回彈的影響。A.M.Prior在比較板料成形模擬的靜態(tài)隱式算法和動態(tài)顯示算法的特點時指出，將二者結合起來求解回彈問題是一種更加有效的手段。 隨著汽車輕量化的不斷發(fā)展，鋁板和高強度鋼板等輕量化材料在車身制造中的應用越來越廣泛。隨之帶來嚴重的回彈問題也引起研究人員的極大重視，并對其進行了分析和研究。You Ming Huang通過數(shù)值模擬討論了沖壓工藝參數(shù)（如摩擦系數(shù) μ、凹模圓角半徑 rd、凸凹模間隙 C 等）對 U 形件成形后回彈的影響，模擬結果表明：減小 μ，增大 rd和 C 會使回彈更加嚴重。M.Kawka 等用汽車復雜零件－頂蓋和輪轂作為研究對象，分別對其進行全工序成形及回彈模擬。 回彈會影響零件的形狀和尺寸精度，因此一些學者對回彈控制方法進行了相關研究。Oral等人討論了柱形彎曲回彈的模具補償算法，使零件形狀得到有效控制。 Karafillis、Wu等人采用有限元模擬方法，針對不同形狀零件的模具進行回彈迭代補償，使最終成形后的零件正好符合其形狀設計要求。S.G.Xu討論了影響板料回彈的因素，并認為回彈對材料參數(shù)的波動變化非常敏感，針對高強度板的大回彈問題，提出了工藝參數(shù)優(yōu)化控制和考慮板料變形歷史的模面迭代補償控制方法。 2、 國內研究狀況 國內的板料成形回彈問題研究時間比較短，但也取得了一定成果。付寶連建立了金屬成形過程的回彈最小勢能原理和最小余能原理，最后將該原理用于懸臂梁和曲梁回彈變形計算。蔡中義教授等提出采用靜力隱式算法對板材回彈進行數(shù)值分析。刁法璽，張凱鋒基于連續(xù)介質力學及有限元變形理論，給出了 V 形彎曲回彈的動力顯式算法，并開發(fā)了有限元分析程序 DEFORM-3D。楊光等針對板材成形后的切邊回彈問題，發(fā)明了基于大變形彈塑性有限元理論的切邊處理技術-AIA 方法。章婷，單以才等采用 FEM 技術，通過建立正交優(yōu)化試驗對 U 形件進行沖壓回彈仿真研究，得出影響鋁合金板料成形和回彈精度的數(shù)值模擬參數(shù)。 在回彈控制方面，李延平，朱東波，盧秉恒對板料回彈進行了較為系統(tǒng)的研究，建立了能對 3D 復雜形狀沖壓件回彈誤差進行有效補償?shù)拈]環(huán)控制補償系統(tǒng)。張立力，曹飛等針對于板材成形中的回彈補償問題，通過采用通用機械軟件 UG 和 CAE 軟件 Pam-Stamp 所開發(fā)的回彈補償?shù)哪＞咴O計系統(tǒng)，提出了一個根據(jù)工件的幾何形狀和回彈誤差來進行模具補償?shù)姆椒ā? 3． 目前發(fā)展水平 以目前所在企業(yè)來說，汽車保險杠鋁合金板材沖壓成型組件成品率在85%左右，其中，以回彈、破裂的失敗率居高。與國外同行業(yè)的其他企業(yè)相比較，任有較大的提升空間。 設計內容和預期成果 （具體設計內容和重點解決的技術問題、預期成果和提供的形式） 一、有限元分析及工藝優(yōu)化內容 1、根據(jù)產(chǎn)品尺寸、技術要求等畫出產(chǎn)品零件圖（二維、三維），同理畫出模具裝配圖（三維）等相關圖紙； 2、結合有限元分析工具（ANSYS Workbench),分析現(xiàn)有設計中存在的問題，找出導致產(chǎn)品合格率低的相關因素； 3、以分析結果為依據(jù)，對現(xiàn)有工藝進行改進或者重新設計新的加工工藝，最終達到提高合格率的目的。 二、預期成果 1、分析部分 1）目標： 根據(jù)產(chǎn)品設計要求，完整地畫出產(chǎn)品零件2D、3D各1張，模具零件圖若干，裝配圖1張，所畫圖紙徐能滿足產(chǎn)品實際功能且能滿足客戶要求；并能應用于實際生產(chǎn)中。 2）要求：系統(tǒng)地說明分析過程中問題的解決（確定導致產(chǎn)品合格率低的主要原因，并提出可行的改進方案），若有必要，進行相關計算。 3）分析過程完整有序，計算結果正確清晰（計算過程只需列出已知條件、計算公式，將有關數(shù)據(jù)代入公式，省略計算過程，直接寫出計算結果），文字說明簡明通順。將分析結果整理后，提交公司相關技術人員，并請教此結果是否“合理”或“可行”。 4） 任務完成驗收時提供材料：分析說明書一份，總裝配圖1張、零件圖若干。 2、優(yōu)化部分 工藝優(yōu)化部分，要求以公司實際生產(chǎn)情況為基礎，提出合理可行的優(yōu)化建議，并要求提供以下資料，且裝訂成冊： 1）造成目前問題的主要因素分析結果； 2）現(xiàn)有工藝存在的具體問題； 3）合理可行的改進建議或措施； 4）實施改進所需的器件、資金投入、技術支持等； 5) 優(yōu)化后具體實踐數(shù)據(jù)支持； 6) 優(yōu)化前后具體結果對比； 擬采取設計方法和技術支持 （設計方案、技術要求、實驗方法和步驟、可能遇到的問題和解決辦法等） 1、 設計方法 查閱資料，了解相關問題的分析解決思路并運用caxa、CATIA畫出產(chǎn)品的零件圖和模具裝配圖。用ANSYS Workbench進行模擬分析，找出解決問題所需因素。 2、 技術要求 通過分析能對現(xiàn)有工藝進行可行有效的優(yōu)化改進或者能設計新的加工工藝，達到提到產(chǎn)品合格率的目的。 3、 可能遇到的問題 若對ANSYS Workbench運用不熟悉可請教老師； 若所畫圖紙有問題可請教公司技術人員； 若所需進行實際實驗或需要資金支持，可申請公司給予幫助。 實現(xiàn)本項目已具備的條件 （包括過去學習、研究工作基礎，現(xiàn)有主要儀器設備、設計環(huán)境及協(xié)作條件等） 1、 相關參考書籍或文獻自己已選定； 2、 實習公司提供實驗材料、實驗場地、實驗設備支持； 3、 從事多年相關工作的技術人員將會提供幫助。 各環(huán)節(jié)擬定階段性工作進度 (以周為單位) 1-4周 完成開題報告 5-6周 查閱資料，確定具體實施方案 7周 計算所需參數(shù) 8-10周 畫出各個零件圖和裝配圖 11-12周 完成有限元分析并提出工藝優(yōu)化建議或措施 13-14周 細節(jié)工作，準備答辯 開 題 報 告 審 定 紀 要 時 間 地點 主持人 參 會 教 師 姓 名 職 務（職 稱） 姓 名 職 務（職 稱） 論 證 情 況 摘 要 記錄人： 指 導 教 師 意 見 指導教師簽名： 年 月 日 教 研 室 意 見 教研室主任簽名： 年 月 日 第 5 頁 共5頁 本科生畢業(yè)設計(論文)文獻綜述 設計 (論文)題目 汽車保險杠鋁成型組件有限元分析及工藝優(yōu)化 作者所在系別 機電工程學院 作者所在專業(yè) 車輛工程 作者所在班級 B13141 作 者 姓 名 馬關益 作 者 學 號 201322416 指導教師姓名 許文娟 指導教師職稱 講師 完 成 時 間 2017 年 3 月 北華航天工業(yè)學院教務處制 說 明 1．根據(jù)學校《畢業(yè)設計(論文)工作暫行規(guī)定》，學生必須撰寫畢業(yè)設計(論文)文獻綜述。文獻綜述作為畢業(yè)設計(論文)答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。 2．文獻綜述應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計(論文)工作前期內完成，由指導教師簽署意見并經(jīng)所在專業(yè)教研室審查。 3．文獻綜述各項內容要實事求是，文字表達要明確、嚴謹，語言通順，外來語要同時用原文和中文表達。第一次出現(xiàn)縮寫詞，須注出全稱。 4．學生撰寫文獻綜述，閱讀的主要參考文獻應在10篇以上（土建類專業(yè)文獻篇數(shù)可酌減），其中外文資料應占一定比例。本學科的基礎和專業(yè)課教材一般不應列為參考資料。 5．文獻綜述的撰寫格式按畢業(yè)設計(論文)撰寫規(guī)范的要求，字數(shù)在2000字左右。文獻綜述應與開題報告同時提交。 汽車保險杠鋁成型組件有限元分析及工藝優(yōu)化的文獻綜述 摘要：近年來，隨著環(huán)境污染、能源枯竭等問題的日趨嚴重以及國家政策的支持和鼓勵，汽車輕量化已越來越被人們所重視，且已逐漸成為當前和未來汽車技術發(fā)展的主要方向。其中，鋁合金板材作為一種低密度、高強度、可塑性強的金屬材料，受到了越來越多汽車廠商的青睞。然而，在板料成形技術中，起皺、破裂、變形不足和回彈等質量問題也越來越突出， 這不僅造成了大量的材料浪費，還嚴重制約了鋁合金板材在汽車制造中的使用。因此，探索出一種適合鋁合金板材沖壓成型的優(yōu)秀工藝，成了當前眾多汽車廠商研究的重點。 本文將利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對汽車保險杠中鋁成型組件的沖壓成型進行分析研究，找出導致其出現(xiàn)質量問題的主要因素，并結合分析結果嘗試對現(xiàn)有的沖壓工藝進行合理優(yōu)化，達到提高成品率的目的。 關鍵字：有限元分析；鋁成型；工藝優(yōu)化 Finite Element Analysis and Process Optimization of Aluminum Brackets for Automobile Bumper Abstract: In recent years, with the environmental pollution, energy depletion and other issues become increasingly serious and national policy support and encouragement, automotive lightweight has been more and more attention, and has gradually become the current and future development of the main direction of automotive technology The Among them, the aluminum alloy sheet as a low-density, high strength, plasticity of the metal material, by more and more car manufacturers of all ages. However, in the sheet metal forming technology, wrinkling, rupture, deformation and rebound and other quality problems are more and more prominent, which not only caused a lot of material waste, but also seriously restricted the use of aluminum alloy sheet in the automotive industry The Therefore, to explore a suitable for aluminum alloy sheet stamping of the excellent process, has become the focus of many car manufacturers. In this paper, the finite element analysis software ANSYS Workbench is used to analyze the stamping of aluminum forming components in automobile bumper, and the main factors leading to its quality problems are found out. Combining with the analysis results, the existing stamping process is optimized reasonably, To achieve the purpose of improving the yield. Key words: Finite element analysis; aluminum forming; process optimization 1、 汽車保險杠鋁成型組件工藝優(yōu)化的科學意義及目的 汽車保險杠是汽車上一個重要的結構部件，承受著汽車碰撞時的巨大沖擊力，對汽車的安全性起著至關重要的作用。其中，保險杠結構中的部分組件采用鋁合金板材沖壓成型，而在成型過程中極易出現(xiàn)起皺、破裂、變形不足和回彈等質量問題，若能通過合理的工藝優(yōu)化，解決此類質量問題，那么不僅能使車身輕量化的研究更進一步，對于眾多汽車廠商來說，還能大大節(jié)約成本，提高運經(jīng)營利潤。 二、汽車保險杠鋁合金板材沖壓成型組件質量問題的國內外研究狀況 汽車保險杠鋁成型組件屬于板材沖壓成型件，而對于板料沖壓成形后容易出現(xiàn)的彈性恢復問題，自上世紀50年代以來，國內外大量學者對板料回彈問題進行了深入的理論分析、模擬和實驗研究。 （一）國外研究情況 R.Hill、F.Proska、F.J.Gardiner 等人經(jīng)過多年研究，為板料成形及回彈分析奠定了理論基礎。F.Fenoglietto 等人研究了變彈性模量對板料回彈的影響。A.M.Prior在比較板料成形模擬的靜態(tài)隱式算法和動態(tài)顯示算法的特點時指出，將二者結合起來求解回彈問題是一種更加有效的手段。 隨著汽車輕量化的不斷發(fā)展，鋁板和高強度鋼板等輕量化材料在車身制造中的應用越來越廣泛。隨之帶來嚴重的回彈問題也引起研究人員的極大重視，并對其進行了分析和研究。You Ming Huang通過數(shù)值模擬討論了沖壓工藝參數(shù)（如摩擦系數(shù) μ、凹模圓角半徑 rd、凸凹模間隙 C 等）對 U 形件成形后回彈的影響，模擬結果表明：減小 μ，增大 rd和 C 會使回彈更加嚴重。M.Kawka 等用汽車復雜零件－頂蓋和輪轂作為研究對象，分別對其進行全工序成形及回彈模擬。 回彈會影響零件的形狀和尺寸精度，因此一些學者對回彈控制方法進行了相關研究。Oral等人討論了柱形彎曲回彈的模具補償算法，使零件形狀得到有效控制。 Karafillis、Wu等人采用有限元模擬方法，針對不同形狀零件的模具進行回彈迭代補償，使最終成形后的零件正好符合其形狀設計要求。S.G.Xu討論了影響板料回彈的因素，并認為回彈對材料參數(shù)的波動變化非常敏感，針對高強度板的大回彈問題，提出了工藝參數(shù)優(yōu)化控制和考慮板料變形歷史的模面迭代補償控制方法。 （二）國內研究情況 國內的板料成形回彈問題研究時間比較短，但也取得了一定成果。付寶連建立了金屬成形過程的回彈最小勢能原理和最小余能原理，最后將該原理用于懸臂梁和曲梁回彈變形計算。蔡中義教授等提出采用靜力隱式算法對板材回彈進行數(shù)值分析。刁法璽，張凱鋒基于連續(xù)介質力學及有限元變形理論，給出了 V 形彎曲回彈的動力顯式算法，并開發(fā)了有限元分析程序 DEFORM-3D。楊光等針對板材成形后的切邊回彈問題，發(fā)明了基于大變形彈塑性有限元理論的切邊處理技術-AIA 方法。章婷，單以才等采用 FEM 技術，通過建立正交優(yōu)化試驗對 U 形件進行沖壓回彈仿真研究，得出影響鋁合金板料成形和回彈精度的數(shù)值模擬參數(shù)。 在回彈控制方面，李延平，朱東波，盧秉恒對板料回彈進行了較為系統(tǒng)的研究，建立了能對 3D 復雜形狀沖壓件回彈誤差進行有效補償?shù)拈]環(huán)控制補償系統(tǒng)。張立力，曹飛等針對于板材成形中的回彈補償問題，通過采用通用機械軟件 UG 和 CAE 軟件 Pam-Stamp 所開發(fā)的回彈補償?shù)哪＞咴O計系統(tǒng)，提出了一個根據(jù)工件的幾何形狀和回彈誤差來進行模具補償?shù)姆椒ā? 三、汽車保險杠鋁成型組件的發(fā)展趨勢 隨著環(huán)境污染、能源枯竭等問題的日趨嚴重以及車輛技術的不斷發(fā)展，汽車輕將逐漸成為當前和未來汽車技術的發(fā)展趨勢。當然，汽車的安全性仍會被人們放在首位。在汽車車身上用鋁合金板代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼板可使白車身減重約 40%-50%，因此車身的鋁合金化對汽車質量的減重效果是立竿見影的。同時，鋁合金材料的使用不僅能使車身減重，而且有助于提高汽車的機動性能，提高乘客的舒適性和安全性。鋁的密度僅為鋼鐵的 1/3 左右，但其具有抗沖擊性好、耐蝕性高、散熱快、比強度和比剛度高等特點。因此當今世界各大汽車公司為了追求輕量化同時兼顧汽車安全性，都大力開發(fā)鋁合金車身零部件甚至全鋁車身。保險杠組件作為汽車上的一個重要部件，且因其工作時將承受巨大沖擊載荷，當然會首先進入人們的視線。 4、 汽車保險杠鋁成型組件缺陷分析 由于汽車保險杠鋁成型組件形狀較為復雜，幾何尺寸較大，沖壓成形過程中板料與模具不斷接觸，其所受載荷路徑極為復雜，導致變形過程中可能出現(xiàn)起皺、破裂、擦傷以及成型后回彈大等多種缺陷。為了保證零件表面質量和裝配精度，這些缺陷是不允許出現(xiàn)在零件上的，這就使得零件成型模具開發(fā)設計這項工作變得十分棘手，下面針對上述的主要缺陷進行分析。 （1） 起皺 起皺是保險桿鋁成型組件等此類汽車覆蓋件沖壓成型過程中常見的缺陷之一，它是由于板料在塑性變形過程中受到復雜應力狀態(tài)而出現(xiàn)的不均勻變形。由于受壓成型的板料較薄，在成型過程中厚度方向上的變形極不穩(wěn)定。板料內部的壓應力一旦超過材料在厚度方向上的失穩(wěn)極限后，便會產(chǎn)生失穩(wěn)起皺。當然，板料受到一定程度的不均勻拉應力、剪應力或板內彎曲應力也可能導致板材出現(xiàn)起皺缺陷。起皺缺陷會對尺寸精度和表面質量要求較高的車身覆蓋件產(chǎn)生極大影響，嚴重時直接導致沖壓件報廢。 解決此類零件起皺問題時，一般可以從改變零件的形狀、采用合理的沖壓工藝、改善沖壓條件和材料性能及模具設計制造等方面入手，最終達到改善和消除起皺缺陷的目的。 （2） 破裂 除起皺缺陷外，破裂也是汽車保險杠鋁成型組件沖壓成型過程中常見的缺陷之一，它是板料在成型過程中拉伸失穩(wěn)的一種主要表現(xiàn)形式。板料變形過程中內部存在拉應力集中區(qū)域，隨著變形的不斷發(fā)展，當某處材料所受到的拉應力接近或者超過材料本身的最大抗拉強度時，會相應的產(chǎn)生拉伸失穩(wěn)，進一步發(fā)展成為縮頸，從而出現(xiàn)裂紋或拉裂。保險桿鋁成型組件拉延過程主要在以下兩種區(qū)域出現(xiàn)破裂：一種是出現(xiàn)在板料傳力區(qū)，主要由于材料強度不夠所引起；另一種破裂出現(xiàn)在零件大的塑性變形區(qū)，由于材料的塑性性能較差所導致。但是不管哪種破裂形式，拉裂在實際生產(chǎn)中直接影響著產(chǎn)品的成形質量，在實際生產(chǎn)中絕不允許出現(xiàn)此種缺陷。 在沖壓成型過程中，很多因素都有可能引起板料破裂。為防止，可以采取以下措施：根據(jù)零件的具體情況選用合適的毛還形狀和尺寸；采用機械性能較好的材料作為零件材料；在條件允許的情況下，增大拉裂區(qū)域的凸凹模圓角半徑；修正模具參數(shù)、提供良好的潤滑條件；選擇優(yōu)化的壓料面形狀和合適的壓邊力；合理設置拉延筋及參數(shù)等。 （3） 回彈 板料在沖壓成型時發(fā)生的變形形式主要包括兩部分：彈性變形和塑性變形。成形結束后由于模具和零件逐漸分離，板料會發(fā)生彈性回復，導致零件尺寸和形狀與標準的沖壓件產(chǎn)生偏離的現(xiàn)象稱之為回彈。對于以彎曲變形為主要成形方式的保險杠來說，回彈現(xiàn)象是不可避免的，它嚴重影響著零件的形狀和尺寸精度。當回彈量超過允許誤差后就成為影響零件質量的成形缺陷，這就增加了模具調試及成型后校形的工作量，為后續(xù)裝配帶來麻煩。在實際生產(chǎn)中，為了提高汽車整車水平及質量，許多汽車公司對此類汽車覆蓋件的成形精度都有嚴格的要求。 影響零件產(chǎn)生回彈的因素有很多，與成形材料的性能、模具的間隙和零件本身的形狀、壓邊力、摩擦接觸等因素都切實相關。解決回彈問題，要根據(jù)沖壓件的具體形狀、尺寸及成型過程的變形特點進行具體分析。 五、總結 汽車保險杠鋁成型組件有限元分析及工藝優(yōu)化的課題，是汽車制造領域前言性課題，其研究成果不僅適用于汽車保險杠鋁成型組件，還適用于諸如此類零件的諸多汽車覆蓋件。隨著相關學科及汽車制造技術的迅猛發(fā)展，人們汽車零配件上的缺陷越來越重視。另一方面，環(huán)境污染、能源枯竭等問題也越來越嚴重，汽車輕量化的問題逐漸成為汽車技術發(fā)展的主要方向。鋁合金板材由于具有高強度、低密度、低成本等諸多優(yōu)點，被越來越廣泛的使用在汽車上。因此，若能通過合理的分析研究，探索出一種適合鋁合金板材沖壓成型的優(yōu)秀工藝，對于汽車制造業(yè)來說，將會受益無窮。 六、參考文獻 [1]蘭博.汽車鋁合金覆蓋件沖壓成形數(shù)值模擬研究[D].吉林:吉林大學,2015. 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Materials Science Forum. 1996, 242: 33-50. 指導教師意見 指導教師： 年 月 日 專業(yè)教研室審查意見 負責人： 年 月 日 第 6 頁 共 7 頁 本科生畢業(yè)設計 (論文) 外 文 翻 譯 原 文 標 題 Finite Element Analysis and Shape Optimization of Aluminum Alloy Automobile Energy-absorbing Components 譯 文 標 題 汽車鋁合金能量吸收組件的有限元分析和形狀優(yōu)化 作者所在系別 機電工程學院 作者所在專業(yè) 車輛工程 作者所在班級 B13141 作 者 姓 名 馬關益 作 者 學 號 201322416 指導教師姓名 許文娟 指導教師職稱 講師 完 成 時 間 2017 年 3 月 北華航天工業(yè)學院教務處制 — 41 — 譯文標題 汽車鋁合金能量吸收組件的有限元分析和形狀優(yōu)化 原文標題 Finite Element Analysis and Shape Optimization of Aluminum Alloy Automobile Energy-absorbing Components 作 者 Liu Yan jie，Ding Lin，Qing fen，Wang Dan 譯 名 劉艷杰，丁林 李慶芬，王丹 國 籍 中國 原文出處 應用力學與材料ISSN：1662-7482，Vols。 249-250，pp 954-957 doi：10.4028 / www.scientific.net / AMM.249-250.954?2013 Trans Tech Publications，瑞士 譯文： 關鍵字 有限元分析 鋁合金 形狀優(yōu)化 能量吸收組件 摘 要： 在本研究工作中，通過有限元（FE）法對汽車鋁合金能量吸收組件的結構進行了仿真分析和優(yōu)化設計。使用LS-DYNA軟件進行數(shù)值模擬。汽車能量吸收組件通常制成薄壁管結構。 在本文中，管是采用鋁合金材料。對薄壁管的有限元模進行分析， 通過比較理論結果和有限元模型結果，得到的結果為二者具有良好的相關性，這表明數(shù)值分析是可靠的。 為提高薄壁管的耐沖擊性，將注意力集中在找到一種最佳橫截面形狀上。 對所研究的幾種類型的橫截面比較， 結果表明，當采用帶槽的方形潔面時，管的耐沖擊性明顯提高。 引言 汽車的安全性一直是汽車研究領域的一個重要問題。在世界范圍內，交通事故都是一個嚴重的社會問題。在中國，由于汽車高速撞擊造成的死傷的案例，一直是人們關注的焦點。然而,由于低速碰撞通常發(fā)生在城市的交通擁堵區(qū)[ 1，2 ]。對于人員沒有較重傷害，因此低速度碰撞沒能引起人們的注意。正因為如此，研究低速撞擊中涉及的技術問題，就顯得尤為必要。薄壁管通常裝在汽車前端，是汽車發(fā)生碰撞時能量吸收的重要部件之一。在低速碰撞事故中，薄壁管將會在人的身體受到?jīng)_擊之前，預先吸收撞擊所產(chǎn)生的能量，使乘客艙的受損變得最小化，乘客可以幸存[ 3，4]。薄壁管在車身的位置如圖1所示。 本文采用有限元（FE）方法對汽車吸能部件進行了低速沖擊試驗研究，并進行了理論驗證。并以此優(yōu)化薄壁管的形狀。 有限元建模 主要性能評價參數(shù)：在正面低速碰撞的情況下，管材吸收沖擊能量，主要通過塑性變形降低沖擊載荷峰值[ 3 ]。該管的最重要的性能評價參數(shù)是通過塑性變形吸收的總沖擊能量Es，沖擊力峰值Fp,該管的壓縮位移δe和平均沖擊載荷Fm。 方程(1)給出的平均沖擊力,式中，Es是總的沖擊能量吸收，δe壓縮位移。 Fm=Esδe (1) Fm算術平均值,隨著Fm的增加，管的吸收能量將增加。Fm越大，能量吸收越大，乘客的安全更有保障。因此，在不超過許可峰值的前提下，平均沖擊載荷越大，吸收性能越好。 模型的建立：薄壁管，特別是方形截面的薄壁管，一種常見的汽車防碰撞裝置，因為它們相對便宜，通用和高效的吸收能量。導致他們被用于各種各樣的沖擊加載應用[ 5 ]。 在本文中，利用LS-DYNA首先創(chuàng)建了一個方形截面管的軸向低速沖擊的有限元模型，（70mm寬、長160mm 、1.65mm厚），管有限元網(wǎng)格如圖2所示。 剛性板1000kg，放置在管的頂部，如圖2所示，軸向沖擊速度為4.44米/小時，管是用7075鋁合金制造的模型，屈服強度σy= 455MPa，密度ρ = 2.81 x 10-6kg / mm3，泊松比v= 033 ，楊氏模量E = 71Gpa。 圖1 圖2 仿真分析：模擬了方形截面管在軸向低速沖擊下的吸能特性。沖擊載荷與位移的曲線如圖3能量曲線所示。位移顯示如圖4所示。其中，沖擊載荷峰值是能量吸收的重要參數(shù)之一，為237427kN，高于允許值180kN。為了提高吸能特性，必須對管進行優(yōu)化設計，特別是降低沖擊載荷峰值。 圖3 圖4 理論驗證：通過比較理論和有限元模型結果，驗證了方形截面鋁合金管的有限元模型。由于空間的限制，我們只能采取平均沖擊負荷的Fm為例。一些研究人員已經(jīng)進行了實驗研究，以更準確地預測工程應用的臨界應力。其中，矩形截面薄壁管平均沖擊載荷的經(jīng)驗公式為[ 2 ]。 Fm=13.06σ0t2(bt)13 (2) 當σ0=12（σ02+σu)，其中σ02屈服強，σ u是極限強度，t是壁厚,b是正方形截面的寬度時，對于目前工作中使用的材料，有： σ0=（σ02+σ u）/2=（0.455+0.780）=0.62GPa 因此，平均沖擊載荷計算由方程（3）計算得： Fm=13.06×0.62×1.652×(70/1.65)1/3≈76.88KN。 平均沖擊載荷理論計算結Fm = 76.88KN,與有限元模型的結果Fm=77KN進行比較,結果表明，理論計算結果與有限元模型結果的平均差異為1.56%,結果相關性良好。為后續(xù)的分析結果提供了依據(jù)。 優(yōu)化設計 橫截面的形狀優(yōu)化：為了提高碰撞箱的能量吸收特性，優(yōu)化薄壁管的形狀結構是必要的。首先關注的是找到一個最佳的橫截面形狀的管。五種類型的薄壁管進行了研究和比較。管截面幾何形狀如圖5所示，其中，（一）方形、圓形截面（B），（C）六邊形截面，（D）和（E）八角形截面、矩形截面。所有的管子都長1.65mm，厚 120mm，用的是同一圓周280mm，7075鋁合金材料。根據(jù)相同的有限元建模方法和邊界條件，對五鋁合金管進行了數(shù)值模擬。20毫秒后沖擊載荷下的管倒塌顯示如圖6所示。 對比仿真結果（能量與位移和沖擊載荷與位移）如圖7圖8所示。我們可以得出結論為：最好的橫截面是形狀方形截面（a），峰值沖擊負荷對不同截面形狀的管分別為：(a) 237.433kN, (b) 273.66kN, (c) 272.81kN,(d)276.27kN, (e) 238.68kN，都比允許值180KN高很多。其中，形狀（a）所受載荷最低。因此我們采取薄壁方形截面管的進一步優(yōu)化設計。 圖5 圖6 由于薄壁管受到?jīng)_擊，管子發(fā)生內外反復收縮變形，如圖4所示。根據(jù)變形趨勢集槽，沖擊載荷將減少。 圖7 圖8 本文采用方形截面管上的凹槽，如圖9（a）所示。有限元模擬的結果（帶凹槽的方形鋁合金模型變形，管和沖擊載荷與位移的）如圖所示9（b）。 圖9 圖10 圖10中給出了沒有槽和槽的管的比較。 結果表明，當采用槽時，方形截面薄壁管的能量吸收特性明顯。 當沖擊載荷的峰值為70 kN時，與無槽相比降低約70.5％。 因此，我們得出結論，通過選擇適當?shù)臋M截面和采用適當?shù)陌疾?，可成功對薄壁鋁合金材料的形狀進行優(yōu)化。 致 謝 這項工作得到了黑龍江省教委科技項目（12511391）的財政支持。 參考文獻 [1] A .Reye, M Langseth, and O S Hopperstad: Norwegian University of Science and Technology, Vol. 32 (2007), p.245 [2] M Avery, A M Weekes. 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