汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件有限元分析及工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)【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(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 論文(設(shè)計(jì))題目 汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件有限元分析及工藝優(yōu)化 作者所在系別 機(jī)電工程學(xué)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(guān)益 作 者 學(xué) 號 201322416 指導(dǎo)教師姓名 許文娟 指導(dǎo)教師職稱 講師 完 成 時(shí) 間 2017 年 3 月 北華航天工業(yè)學(xué)院教務(wù)處制 說 明 1．根據(jù)學(xué)校《畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作暫行規(guī)定》，學(xué)生必須撰寫《畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告》。開題報(bào)告作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。 2．開題報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)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(bào)告不合格者需重做。 3．畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告各項(xiàng)內(nèi)容要實(shí)事求是，逐條認(rèn)真填寫。其中的文字表達(dá)要明確、嚴(yán)謹(jǐn)，語言通順，外來語要同時(shí)用原文和中文表達(dá)。第一次出現(xiàn)縮寫詞，須注出全稱。 4．開題報(bào)告中除最后一頁外均由學(xué)生填寫，填寫各欄目時(shí)可根據(jù)內(nèi)容另加附頁。 5．閱讀的主要參考文獻(xiàn)應(yīng)在10篇以上（土建類專業(yè)文獻(xiàn)篇數(shù)可酌減），其中外文資料應(yīng)占一定比例。本學(xué)科的基礎(chǔ)和專業(yè)課教材一般不應(yīng)列為參考資料。 6．參考文獻(xiàn)的書寫應(yīng)遵循畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）撰寫規(guī)范要求。 7．開題報(bào)告應(yīng)與文獻(xiàn)綜述、一篇外文譯文和外文原文復(fù)印件同時(shí)提交，文獻(xiàn)綜述的撰寫格式按畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）撰寫規(guī)范的要求，字?jǐn)?shù)在2000字左右。 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告 學(xué)生姓名 馬關(guān)益 專 業(yè) 車輛工程 班 級 B13141 指導(dǎo)教師姓名 許文娟 職 稱 講師 工作單位 北華航天工業(yè)學(xué)院 課題來源 學(xué)生自擬課題 課題性質(zhì) 應(yīng)用設(shè)計(jì) 課題名稱 汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件有限元分析及工藝優(yōu)化 本設(shè)計(jì)的科學(xué)依據(jù) （科學(xué)意義和應(yīng)用前景，國內(nèi)外研究概況，目前技術(shù)現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢等） 1、 汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件工藝優(yōu)化的科學(xué)意義和應(yīng)用前景 近年來，隨著環(huán)境污染、能源枯竭等問題的日趨嚴(yán)重以及國家政策的支持和鼓勵(lì)，汽車輕量化已越來越被人們所重視，且已逐漸成為當(dāng)前和未來汽車技術(shù)發(fā)展的主要方向。鋁合金具有密度低，強(qiáng)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(jié)構(gòu)與普通鋼材存在很大差異，導(dǎo)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(fù)雜且尺寸輪廓大，導(dǎo)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(dǎo)致材料被大量浪費(fèi)，還增大了零件質(zhì)量控制以及模具設(shè)計(jì)的難度，嚴(yán)重制約了鋁合金材料在汽車覆蓋件上的應(yīng)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(zhì)量，成為鋁合金材料在汽車行業(yè)廣泛使用的關(guān)鍵。 2、 汽車保險(xiǎn)杠鋁合金板材沖壓成型組件回彈問題的國內(nèi)外研究狀況 汽車保險(xiǎn)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(fù)問題，自上世紀(jì)50年代以來，國內(nèi)外大量學(xué)者對板料回彈問題進(jìn)行了深入的理論分析、模擬和實(shí)驗(yàn)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(chǔ)。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(dòng)態(tài)顯示算法的特點(diǎn)時(shí)指出，將二者結(jié)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(qiáng)度鋼板等輕量化材料在車身制造中的應(yīng)用越來越廣泛。隨之帶來嚴(yán)重的回彈問題也引起研究人員的極大重視，并對其進(jìn)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(jié)果表明：減小 μ，增大 rd和 C 會使回彈更加嚴(yán)重。M.Kawka 等用汽車復(fù)雜零件－頂蓋和輪轂作為研究對象，分別對其進(jìn)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(xué)者對回彈控制方法進(jìn)行了相關(guān)研究。Oral等人討論了柱形彎曲回彈的模具補(bǔ)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(jìn)行回彈迭代補(bǔ)償，使最終成形后的零件正好符合其形狀設(shè)計(jì)要求。S.G.Xu討論了影響板料回彈的因素，并認(rèn)為回彈對材料參數(shù)的波動(dòng)變化非常敏感，針對高強(qiáng)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(bǔ)償控制方法。 2、 國內(nèi)研究狀況 國內(nèi)的板料成形回彈問題研究時(shí)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(jì)算。蔡中義教授等提出采用靜力隱式算法對板材回彈進(jìn)行數(shù)值分析。刁法璽，張凱鋒基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)及有限元變形理論，給出了 V 形彎曲回彈的動(dòng)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(shù)-AIA 方法。章婷，單以才等采用 FEM 技術(shù)，通過建立正交優(yōu)化試驗(yàn)對 U 形件進(jìn)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(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，建立了能對 3D 復(fù)雜形狀沖壓件回彈誤差進(jìn)行有效補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)控制補(bǔ)償系統(tǒng)。張立力，曹飛等針對于板材成形中的回彈補(bǔ)償問題，通過采用通用機(jī)械軟件 UG 和 CAE 軟件 Pam-Stamp 所開發(fā)的回彈補(bǔ)償?shù)哪＞咴O(shè)計(jì)系統(tǒng)，提出了一個(gè)根據(jù)工件的幾何形狀和回彈誤差來進(jìn)行模具補(bǔ)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(xiǎn)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(shè)計(jì)內(nèi)容和預(yù)期成果 （具體設(shè)計(jì)內(nèi)容和重點(diǎn)解決的技術(shù)問題、預(yù)期成果和提供的形式） 一、有限元分析及工藝優(yōu)化內(nèi)容 1、根據(jù)產(chǎn)品尺寸、技術(shù)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(guān)圖紙； 2、結(jié)合有限元分析工具（ANSYS Workbench),分析現(xiàn)有設(shè)計(jì)中存在的問題，找出導(dǎo)致產(chǎn)品合格率低的相關(guān)因素； 3、以分析結(jié)果為依據(jù)，對現(xiàn)有工藝進(jìn)行改進(jìn)或者重新設(shè)計(jì)新的加工工藝，最終達(dá)到提高合格率的目的。 二、預(yù)期成果 1、分析部分 1）目標(biāo)： 根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shí)際功能且能滿足客戶要求；并能應(yīng)用于實(shí)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(dǎo)致產(chǎn)品合格率低的主要原因，并提出可行的改進(jìn)方案），若有必要，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。 3）分析過程完整有序，計(jì)算結(jié)果正確清晰（計(jì)算過程只需列出已知條件、計(jì)算公式，將有關(guān)數(shù)據(jù)代入公式，省略計(jì)算過程，直接寫出計(jì)算結(jié)果），文字說明簡明通順。將分析結(jié)果整理后，提交公司相關(guān)技術(shù)人員，并請教此結(jié)果是否“合理”或“可行”。 4） 任務(wù)完成驗(yàn)收時(shí)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(shí)際生產(chǎn)情況為基礎(chǔ)，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(jié)果； 2）現(xiàn)有工藝存在的具體問題； 3）合理可行的改進(jìn)建議或措施； 4）實(shí)施改進(jìn)所需的器件、資金投入、技術(shù)支持等； 5) 優(yōu)化后具體實(shí)踐數(shù)據(jù)支持； 6) 優(yōu)化前后具體結(jié)果對比； 擬采取設(shè)計(jì)方法和技術(shù)支持 （設(shè)計(jì)方案、技術(shù)要求、實(shí)驗(yàn)方法和步驟、可能遇到的問題和解決辦法等） 1、 設(shè)計(jì)方法 查閱資料，了解相關(guān)問題的分析解決思路并運(yùn)用caxa、CATIA畫出產(chǎn)品的零件圖和模具裝配圖。用ANSYS Workbench進(jìn)行模擬分析，找出解決問題所需因素。 2、 技術(shù)要求 通過分析能對現(xiàn)有工藝進(jìn)行可行有效的優(yōu)化改進(jìn)或者能設(shè)計(jì)新的加工工藝，達(dá)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(yùn)用不熟悉可請教老師； 若所畫圖紙有問題可請教公司技術(shù)人員； 若所需進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)或需要資金支持，可申請公司給予幫助。 實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目已具備的條件 （包括過去學(xué)習(xí)、研究工作基礎(chǔ)，現(xiàn)有主要儀器設(shè)備、設(shè)計(jì)環(huán)境及協(xié)作條件等） 1、 相關(guān)參考書籍或文獻(xiàn)自己已選定； 2、 實(shí)習(xí)公司提供實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)場地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備支持； 3、 從事多年相關(guān)工作的技術(shù)人員將會提供幫助。 各環(huán)節(jié)擬定階段性工作進(jìn)度 (以周為單位) 1-4周 完成開題報(bào)告 5-6周 查閱資料，確定具體實(shí)施方案 7周 計(jì)算所需參數(shù) 8-10周 畫出各個(gè)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(xì)節(jié)工作，準(zhǔn)備答辯 開 題 報(bào) 告 審 定 紀(jì) 要 時(shí) 間 地點(diǎn) 主持人 參 會 教 師 姓 名 職 務(wù)（職 稱） 姓 名 職 務(wù)（職 稱） 論 證 情 況 摘 要 記錄人： 指 導(dǎo) 教 師 意 見 指導(dǎo)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(shè)計(jì)(論文)文獻(xiàn)綜述 設(shè)計(jì) (論文)題目 汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件有限元分析及工藝優(yōu)化 作者所在系別 機(jī)電工程學(xué)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(guān)益 作 者 學(xué) 號 201322416 指導(dǎo)教師姓名 許文娟 指導(dǎo)教師職稱 講師 完 成 時(shí) 間 2017 年 3 月 北華航天工業(yè)學(xué)院教務(wù)處制 說 明 1．根據(jù)學(xué)?！懂厴I(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作暫行規(guī)定》，學(xué)生必須撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)文獻(xiàn)綜述。文獻(xiàn)綜述作為畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。 2．文獻(xiàn)綜述應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作前期內(nèi)完成，由指導(dǎo)教師簽署意見并經(jīng)所在專業(yè)教研室審查。 3．文獻(xiàn)綜述各項(xiàng)內(nèi)容要實(shí)事求是，文字表達(dá)要明確、嚴(yán)謹(jǐn)，語言通順，外來語要同時(shí)用原文和中文表達(dá)。第一次出現(xiàn)縮寫詞，須注出全稱。 4．學(xué)生撰寫文獻(xiàn)綜述，閱讀的主要參考文獻(xiàn)應(yīng)在10篇以上（土建類專業(yè)文獻(xiàn)篇數(shù)可酌減），其中外文資料應(yīng)占一定比例。本學(xué)科的基礎(chǔ)和專業(yè)課教材一般不應(yīng)列為參考資料。 5．文獻(xiàn)綜述的撰寫格式按畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)撰寫規(guī)范的要求，字?jǐn)?shù)在2000字左右。文獻(xiàn)綜述應(yīng)與開題報(bào)告同時(shí)提交。 汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件有限元分析及工藝優(yōu)化的文獻(xiàn)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(yán)重以及國家政策的支持和鼓勵(lì)，汽車輕量化已越來越被人們所重視，且已逐漸成為當(dāng)前和未來汽車技術(shù)發(fā)展的主要方向。其中，鋁合金板材作為一種低密度、高強(qiáng)度、可塑性強(qiáng)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(shù)中，起皺、破裂、變形不足和回彈等質(zhì)量問題也越來越突出， 這不僅造成了大量的材料浪費(fèi)，還嚴(yán)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(dāng)前眾多汽車廠商研究的重點(diǎn)。 本文將利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對汽車保險(xiǎn)杠中鋁成型組件的沖壓成型進(jìn)行分析研究，找出導(dǎo)致其出現(xiàn)質(zhì)量問題的主要因素，并結(jié)合分析結(jié)果嘗試對現(xiàn)有的沖壓工藝進(jìn)行合理優(yōu)化，達(dá)到提高成品率的目的。 關(guān)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(xiǎn)杠鋁成型組件工藝優(yōu)化的科學(xué)意義及目的 汽車保險(xiǎn)杠是汽車上一個(gè)重要的結(jié)構(gòu)部件，承受著汽車碰撞時(shí)的巨大沖擊力，對汽車的安全性起著至關(guān)重要的作用。其中，保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)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(zhì)量問題，若能通過合理的工藝優(yōu)化，解決此類質(zhì)量問題，那么不僅能使車身輕量化的研究更進(jìn)一步，對于眾多汽車廠商來說，還能大大節(jié)約成本，提高運(yùn)經(jīng)營利潤。 二、汽車保險(xiǎn)杠鋁合金板材沖壓成型組件質(zhì)量問題的國內(nèi)外研究狀況 汽車保險(xiǎn)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(fù)問題，自上世紀(jì)50年代以來，國內(nèi)外大量學(xué)者對板料回彈問題進(jìn)行了深入的理論分析、模擬和實(shí)驗(yàn)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(chǔ)。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(dòng)態(tài)顯示算法的特點(diǎn)時(shí)指出，將二者結(jié)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(qiáng)度鋼板等輕量化材料在車身制造中的應(yīng)用越來越廣泛。隨之帶來嚴(yán)重的回彈問題也引起研究人員的極大重視，并對其進(jìn)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(jié)果表明：減小 μ，增大 rd和 C 會使回彈更加嚴(yán)重。M.Kawka 等用汽車復(fù)雜零件－頂蓋和輪轂作為研究對象，分別對其進(jìn)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(xué)者對回彈控制方法進(jìn)行了相關(guān)研究。Oral等人討論了柱形彎曲回彈的模具補(bǔ)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(jìn)行回彈迭代補(bǔ)償，使最終成形后的零件正好符合其形狀設(shè)計(jì)要求。S.G.Xu討論了影響板料回彈的因素，并認(rèn)為回彈對材料參數(shù)的波動(dòng)變化非常敏感，針對高強(qiáng)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(bǔ)償控制方法。 （二）國內(nèi)研究情況 國內(nèi)的板料成形回彈問題研究時(shí)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(jì)算。蔡中義教授等提出采用靜力隱式算法對板材回彈進(jìn)行數(shù)值分析。刁法璽，張凱鋒基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)及有限元變形理論，給出了 V 形彎曲回彈的動(dòng)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(shù)-AIA 方法。章婷，單以才等采用 FEM 技術(shù)，通過建立正交優(yōu)化試驗(yàn)對 U 形件進(jìn)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(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，建立了能對 3D 復(fù)雜形狀沖壓件回彈誤差進(jìn)行有效補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)控制補(bǔ)償系統(tǒng)。張立力，曹飛等針對于板材成形中的回彈補(bǔ)償問題，通過采用通用機(jī)械軟件 UG 和 CAE 軟件 Pam-Stamp 所開發(fā)的回彈補(bǔ)償?shù)哪＞咴O(shè)計(jì)系統(tǒng)，提出了一個(gè)根據(jù)工件的幾何形狀和回彈誤差來進(jìn)行模具補(bǔ)償?shù)姆椒ā? 三、汽車保險(xiǎn)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(yán)重以及車輛技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車輕將逐漸成為當(dāng)前和未來汽車技術(shù)的發(fā)展趨勢。當(dāng)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(zhì)量的減重效果是立竿見影的。同時(shí)，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(jī)動(dòng)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(qiáng)度和比剛度高等特點(diǎn)。因此當(dāng)今世界各大汽車公司為了追求輕量化同時(shí)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(xiǎn)杠組件作為汽車上的一個(gè)重要部件，且因其工作時(shí)將承受巨大沖擊載荷，當(dāng)然會首先進(jìn)入人們的視線。 4、 汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件缺陷分析 由于汽車保險(xiǎn)杠鋁成型組件形狀較為復(fù)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(fù)雜，導(dǎo)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(zhì)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(shè)計(jì)這項(xiàng)工作變得十分棘手，下面針對上述的主要缺陷進(jìn)行分析。 （1） 起皺 起皺是保險(xiǎn)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(fù)雜應(yīng)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(nèi)部的壓應(yīng)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(dāng)然，板料受到一定程度的不均勻拉應(yīng)力、剪應(yīng)力或板內(nèi)彎曲應(yīng)力也可能導(dǎo)致板材出現(xiàn)起皺缺陷。起皺缺陷會對尺寸精度和表面質(zhì)量要求較高的車身覆蓋件產(chǎn)生極大影響，嚴(yán)重時(shí)直接導(dǎo)致沖壓件報(bào)廢。 解決此類零件起皺問題時(shí)，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(shè)計(jì)制造等方面入手，最終達(dá)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(xiǎn)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(nèi)部存在拉應(yīng)力集中區(qū)域，隨著變形的不斷發(fā)展，當(dāng)某處材料所受到的拉應(yīng)力接近或者超過材料本身的最大抗拉強(qiáng)度時(shí)，會相應(yīng)的產(chǎn)生拉伸失穩(wěn)，進(jìn)一步發(fā)展成為縮頸，從而出現(xiàn)裂紋或拉裂。保險(xiǎn)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(qiáng)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(dǎo)致。但是不管哪種破裂形式，拉裂在實(shí)際生產(chǎn)中直接影響著產(chǎn)品的成形質(zhì)量，在實(shí)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(jī)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(shè)置拉延筋及參數(shù)等。 （3） 回彈 板料在沖壓成型時(shí)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(jié)束后由于模具和零件逐漸分離，板料會發(fā)生彈性回復(fù)，導(dǎo)致零件尺寸和形狀與標(biāo)準(zhǔn)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(xiǎn)杠來說，回彈現(xiàn)象是不可避免的，它嚴(yán)重影響著零件的形狀和尺寸精度。當(dāng)回彈量超過允許誤差后就成為影響零件質(zhì)量的成形缺陷，這就增加了模具調(diào)試及成型后校形的工作量，為后續(xù)裝配帶來麻煩。在實(shí)際生產(chǎn)中，為了提高汽車整車水平及質(zhì)量，許多汽車公司對此類汽車覆蓋件的成形精度都有嚴(yán)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(shí)相關(guān)。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(diǎn)進(jìn)行具體分析。 五、總結(jié) 汽車保險(xiǎn)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(lǐng)域前言性課題，其研究成果不僅適用于汽車保險(xiǎn)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(guān)學(xué)科及汽車制造技術(shù)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(yán)重，汽車輕量化的問題逐漸成為汽車技術(shù)發(fā)展的主要方向。鋁合金板材由于具有高強(qiáng)度、低密度、低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)，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(xiàn) [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(xué),2015. 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Materials Science Forum. 1996, 242: 33-50. 指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師： 年 月 日 專業(yè)教研室審查意見 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 第 6 頁 共 7 頁 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文) 外 文 翻 譯 原 文 標(biāo) 題 Finite Element Analysis and Shape Optimization of Aluminum Alloy Automobile Energy-absorbing Components 譯 文 標(biāo) 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(jī)電工程學(xué)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(guān)益 作 者 學(xué) 號 201322416 指導(dǎo)教師姓名 許文娟 指導(dǎo)教師職稱 講師 完 成 時(shí) 間 2017 年 3 月 北華航天工業(yè)學(xué)院教務(wù)處制 — 41 — 譯文標(biāo)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(biāo)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(yīng)用力學(xué)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(guān)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(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。使用LS-DYNA軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。汽車能量吸收組件通常制成薄壁管結(jié)構(gòu)。 在本文中，管是采用鋁合金材料。對薄壁管的有限元模進(jìn)行分析， 通過比較理論結(jié)果和有限元模型結(jié)果，得到的結(jié)果為二者具有良好的相關(guān)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(jié)果表明，當(dāng)采用帶槽的方形潔面時(shí)，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(lǐng)域的一個(gè)重要問題。在世界范圍內(nèi)，交通事故都是一個(gè)嚴(yán)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(guān)注的焦點(diǎn)。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?yàn)槿绱?，研究低速撞擊中涉及的技術(shù)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(shí)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(yù)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(jìn)行了低速?zèng)_擊試驗(yàn)研究，并進(jìn)行了理論驗(yàn)證。并以此優(yōu)化薄壁管的形狀。 有限元建模 主要性能評價(jià)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(jià)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(shù)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?yàn)樗鼈兿鄬Ρ阋耍ㄓ煤透咝У奈漳芰?。?dǎo)致他們被用于各種各樣的沖擊加載應(yīng)用[ 5 ]。 在本文中，利用LS-DYNA首先創(chuàng)建了一個(gè)方形截面管的軸向低速?zèng)_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(shí)，管是用7075鋁合金制造的模型，屈服強(qiáng)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?zèng)_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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，特別是降低沖擊載荷峰值。 圖3 圖4 理論驗(yàn)證：通過比較理論和有限元模型結(jié)果，驗(yàn)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(fù)荷的Fm為例。一些研究人員已經(jīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，以更準(zhǔn)確地預(yù)測工程應(yīng)用的臨界應(yīng)力。其中，矩形截面薄壁管平均沖擊載荷的經(jīng)驗(yàn)公式為[ 2 ]。 Fm=13.06σ0t2(bt)13 (2) 當(dāng)σ0=12（σ02+σu)，其中σ02屈服強(qiáng)，σ u是極限強(qiáng)度，t是壁厚,b是正方形截面的寬度時(shí)，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(jì)算由方程（3）計(jì)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(jì)算結(jié)Fm = 76.88KN,與有限元模型的結(jié)果Fm=77KN進(jìn)行比較,結(jié)果表明，理論計(jì)算結(jié)果與有限元模型結(jié)果的平均差異為1.56%,結(jié)果相關(guān)性良好。為后續(xù)的分析結(jié)果提供了依據(jù)。 優(yōu)化設(shè)計(jì) 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(jié)構(gòu)是必要的。首先關(guān)注的是找到一個(gè)最佳的橫截面形狀的管。五種類型的薄壁管進(jìn)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(jìn)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(jié)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(jié)論為：最好的橫截面是形狀方形截面（a），峰值沖擊負(fù)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(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。 圖5 圖6 由于薄壁管受到?jīng)_擊，管子發(fā)生內(nèi)外反復(fù)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(jié)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(jié)果表明，當(dāng)采用槽時(shí)，方形截面薄壁管的能量吸收特性明顯。 當(dāng)沖擊載荷的峰值為70 kN時(shí)，與無槽相比降低約70.5％。 因此，我們得出結(jié)論，通過選擇適當(dāng)?shù)臋M截面和采用適當(dāng)?shù)陌疾郏沙晒Ρ”阡X合金材料的形狀進(jìn)行優(yōu)化。 致 謝 這項(xiàng)工作得到了黑龍江省教委科技項(xiàng)目（12511391）的財(cái)政支持。 參考文獻(xiàn) [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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