保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型的建立與機(jī)械參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘 要：本文首先介紹了汽車保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)的數(shù)字CAE建模，將3D建模的IDES格式從UG軟件導(dǎo)入到HyperWorks軟件中，以進(jìn)行有限元分析，保險(xiǎn)杠的參數(shù)化建模和詳細(xì)的設(shè)計(jì)。保險(xiǎn)杠的機(jī)械性能分析后，根據(jù)靈敏度對(duì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響為保險(xiǎn)杠的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出了切實(shí)可行的措施。

關(guān)鍵詞：HyperWorks;模型建立;機(jī)械參數(shù)優(yōu)化

1 前言

車輛的前端和后端均配備有不僅具有裝飾功能的保險(xiǎn)杠，而且還配備有吸收和減弱外部沖擊力，保護(hù)車身并確保乘員安全的作用。同時(shí)，保險(xiǎn)杠是最復(fù)雜的組件，車外零件數(shù)量最多。保險(xiǎn)杠的外觀質(zhì)量和樣式是十分重要的，客戶對(duì)車輛外觀的判斷很大程度上是來自它。它包括許多功能部件，例如能量吸收裝置、牌照組件、各種照明裝置、防撞警報(bào)器和保險(xiǎn)等其他部件，因此保險(xiǎn)桿的設(shè)計(jì)很難設(shè)計(jì)。

2 保險(xiǎn)杠功能

2.1 在一定速度下發(fā)生碰撞時(shí)保護(hù)車輛

如今設(shè)計(jì)汽車，安全是放在第一位的。保險(xiǎn)杠是要求可以吸收碰撞能量并且降低傷害程度。一般要求可以吸收沖擊能量，相當(dāng)于8km/h的速度，有些規(guī)定放寬到4km/h。撞擊后，有一些措施來保護(hù)車身和車身功能部件。

2.2 發(fā)生碰撞時(shí)保護(hù)行人

保險(xiǎn)杠需要有柔軟的表面，如果是撞擊行人時(shí)，能保護(hù)他們。它不應(yīng)鋒利而堅(jiān)硬，最好光滑而有彈性。某些汽車保險(xiǎn)杠的前部是用非常柔軟的聚氨酯泡沫制成的，但是引擎蓋的頂部就不同，上面是柔性材料，這就在保護(hù)行人的同時(shí)保護(hù)車體[1]。

2.3 車身外部裝飾

保險(xiǎn)杠與擋泥板、大燈燈體和車輪保護(hù)罩相匹配，使車輛更加美觀。為了確保保險(xiǎn)杠的側(cè)面連接，保險(xiǎn)杠與擋泥板之間的間隙以及與輪罩的連接，在保險(xiǎn)杠與周圍零件之間還有一些附加的定位點(diǎn)。

2.4 配套功能

一些保險(xiǎn)杠需要與燈、牌照架、牌照和其他配件一起安裝。可以使用安裝底座或安裝平臺(tái)通過螺釘安裝燈體，或設(shè)計(jì)燈板以安裝燈并在設(shè)計(jì)時(shí)將燈體留在保險(xiǎn)杠上要考慮的燈體尺寸。在設(shè)計(jì)和安裝車牌時(shí)，應(yīng)按照《汽車和拖車的車牌和位置》的法律要求。

3 保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)的CAE數(shù)字化建模

為了有效使用有限元分析方法，通過模擬仿真技術(shù)，從而達(dá)到檢查保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能的目的。首先，我們需要通過CAE軟件來建立保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能仿真模型。通過謹(jǐn)慎的處理結(jié)構(gòu)，達(dá)到創(chuàng)建保險(xiǎn)杠動(dòng)力學(xué)模型的目的。

在許多有限元分析軟件中，使用HyperWorks軟件對(duì)保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字CAE建模的技術(shù)在國(guó)外已得到廣泛應(yīng)用。該程序根據(jù)用戶需要，在大小和形狀上有所改進(jìn)優(yōu)化。從實(shí)際的公司中，我們確定了標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)，它是用回旋模型建模的，后來又用于進(jìn)一步開發(fā)的功能，并以各種軟件中的IGES格式進(jìn)行獨(dú)家系統(tǒng)分析。然后，我們對(duì)保險(xiǎn)杠進(jìn)行建模，使其具有理想的樣本尺寸和更好的形狀。

由于保險(xiǎn)杠的整體質(zhì)量較重，但長(zhǎng)度相對(duì)較軟，因此必須將支架牢固并且可以將保險(xiǎn)杠夾緊以防止其從上方掉落，這對(duì)穩(wěn)定起到了很好的作用，因此材料的厚度較厚。在四面體元素離散化之后，在空間結(jié)構(gòu)中使用具有四個(gè)節(jié)點(diǎn)元素且元素大小為20mm的離散處理保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)。創(chuàng)建三維立體螺栓模型，并使用HyperWorks提供的螺紋接觸的定義方法設(shè)置螺紋接觸[2]。

4 保險(xiǎn)杠機(jī)械參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

保險(xiǎn)杠的機(jī)械性能參數(shù)和設(shè)計(jì)靈敏度是影響保險(xiǎn)杠正常運(yùn)行的主要機(jī)械參數(shù)。保險(xiǎn)杠材料的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，彎曲強(qiáng)度，材料厚度，彈性模量，泊松比和屈服強(qiáng)度是重要的機(jī)械性能參數(shù)。

4.1 保險(xiǎn)杠的機(jī)械性能參數(shù)

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)剪切載荷時(shí)，柔韌性會(huì)迅速下降，并且扭曲會(huì)慢慢消失。仿真的結(jié)果在實(shí)踐中也得到了證明，如果汽車保險(xiǎn)杠的翼發(fā)生碰撞，并且在裝載有效載荷時(shí)負(fù)載能力受到最大威脅，則沖擊力的沖擊力會(huì)非常低并發(fā)生彎曲。由于衍射會(huì)引起一定的曲率，因此部件可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)急劇下降[3]。

4.2 保險(xiǎn)杠靈敏度

靈敏度分析可以有很多的用處，它能確定優(yōu)化的方向，我們通過更改不同零件的尺寸來求解每個(gè)零件的厚度倒數(shù)方程。隨著板材厚度的增加，車身質(zhì)量對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響大于剛度的影響。

4.3 優(yōu)化保險(xiǎn)杠的機(jī)械結(jié)構(gòu)

首先，根據(jù)更換保險(xiǎn)杠材料的要求，可以使用密度低且體積大的輕質(zhì)材料。考慮屈服強(qiáng)度。其次，調(diào)整零件的幾何位置和尺寸，增加鋼筋，調(diào)整封閉結(jié)構(gòu)并將原始非封閉結(jié)構(gòu)更改為封閉結(jié)構(gòu)。第三，通過不同的需求來控制保險(xiǎn)杠材料的厚度，安裝孔的位置根據(jù)需要設(shè)置，從而提高彈性模塊和其他機(jī)械性能[4]。

5 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)出現(xiàn)的不是很早，它是在20世紀(jì)發(fā)展起來的。這種優(yōu)化主要基于一種將數(shù)學(xué)上的優(yōu)化理論，并通過與設(shè)計(jì)領(lǐng)域相結(jié)合的方法，以便人們?cè)诮鉀Q某種機(jī)械問題時(shí)，可以解決其它的同類的機(jī)械問題。使得我們可以在設(shè)計(jì)中找到最適合的方案，通過完美的設(shè)計(jì)從而節(jié)省大量的人力物力，從而達(dá)到節(jié)省成本的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]賴嘯，劉勇，郭晟.汽車保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型的建立與機(jī)械參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車與駕駛維修（維修版），2018.

[2]劉潔，張和平.基于ANSYS參數(shù)化語(yǔ)言的機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].沈陽(yáng)化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，18（03）.

[3]譚飛，王旭飛，焦登寧等.某微型電動(dòng)汽車保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真分析[J].陜西理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2019（06）.

[4]張世湖，呂偉妮，陳俊等.汽車塑料保險(xiǎn)杠模態(tài)分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2019，000（012）.

作者簡(jiǎn)介：李剛強(qiáng)（1974-），男，山東濰坊人，本科，講師，從事教學(xué)工作。