基于3D打印的机械零件轻量化设计与制造

3D打印技术和轻量化技术是近年来发展较为快速的先进技术.为了研究机械零件轻量化的问题,以山地自行车结构部件中的一个连接件为例,采用概念设计工具Altair Inspire对连接件进行设计空间的几何重构及重构前后的强度对比分析,再采用3D打印中的子模型新技术和合理设置工艺参数的方法,进行了机械零件轻量化设计与制造.实验结果表明,在满足实际的刚度和性能要求、不改变模型主要结构的情况下,该研究所得结构连接件最终模型的优化结果,实现减重达38.46％,有效减轻了质量,节省了材料,解决了拓扑优化后的复杂结构难加工与支撑多的问题,为机械零件轻量化设计与制造提供了一种可行的方法.     

基于碰撞安全的复合材料尾门设计

由于环保和节能的需要,汽车轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。介绍了复合材料的优缺点,并将复合材料应用到汽车尾门,通过材料选型、结构设计以及碰撞安全的CAE仿真分析,设计出后部碰撞性能与传统钣金尾门性能相当的复合材料尾门,最终轻量化比例达到35.3%。     

长玻纤增强材料在汽车塑料尾门中的应用

对汽车尾门采用的新型长玻纤增强聚丙烯热塑性复合材料(PP-LGF材料)的轻量化技术进行介绍和分析。说明PPLGF材料在满足塑料尾门性能要求的同时,降低汽车尾门的质量,给造型提供了更多的自由度,有着非常广阔的应用前景。     

工业级熔融沉积式3D打印机供料挤出螺杆的研究与设计

在原有3D打印技术基础上,创造性地提出了"打印一加工"相结合的新型3D打印技术,它将很好地解决制造尺寸、制造速度、制造精度、制造成本等一系列问题。传统的送料结构仅能满足桌面级小型机的使用,因此必须研制一套与新型3D打印技术相配套的供料设备,文中参照注塑行业螺杆式挤出机的设计方法,探寻一种适用于3D打印的供料挤出螺杆设计方法,并对主要参数进行计算,为接下来总体供料设备的制造和应用奠定基础。     

基于稳健性多目标优化的微客尾门轻量化设计

针对微客尾门结构的轻量化设计问题,提出了一种基于稳健性多目标优化的尾门轻量化设计方法。首先通过灵敏度分析方法筛选出了对尾门性能贡献量较大的尾门零件厚度作为设计变量,并建立了尾门各个工况响应的近似模型,其次以尾门扭转刚度、下垂刚度、尾门前三阶模态频率和抗凹分析点为约束条件,以尾门质量最小和第一阶模态频率最大和弯曲刚度位移量最小为目标,利用NSGA-Ⅱ算法对尾门进行了多目标优化,通过蒙特卡洛模拟技术对尾门进行了6σ质量水平和可靠度分析,并进行了6σ稳健性多目标优化。最终结果表明:优化设计后尾门结构在满足各性能要求的情况下实现了轻量化,质量减轻了2.28 kg,且弯曲刚度和第一阶模态得到提高;同时尾门结构各工况性能的稳健性也得到改善,达到6σ质量水平。     

复合材料尾门设计应用趋势研究

汽车复合材料尾门的研究已然成为各大汽车制造商车身部件轻量化、模块化的重要方向.梳理了复合材料尾门技术发展的历史,详细比较了几种典型复合材料尾门技术的优缺点.通过对现有量产车型复合材料尾门的调研分析,总结出复合材料尾门的设计要点以及未来发展趋势,为中国自主品牌汽车开发复合材料尾门提供参考.     

一种3D打印模型轻量化结构自动生成方案

3D打印模型的轻量化是减少打印耗材与成本的关键,为此提出一种基于桁架的模型轻量化方案,该轻量化方案主要分为基础结构生成以及强度优化两个步骤,其中基础结构由模型外壳与内部桁架构成,强度优化则通过受力较大部位填充实现。首先对模型3D打印模型进行抽壳,并同时生成模型的内核,接着读取内核文件数据计算出内部桁架,再对模型进行力学仿真并提取仿真节点,筛选仿真结果后对剩余节点进行填充。该方案能实现模型的轻量化并能根据仿真结果进行结构调整,并且针对过去所提出基于桁架的轻量化方案存在的问题做出了改进。     

基于增材制造的F8分配阀中间体结构优化设计

基于增材制造(即3D打印)的工艺,将用于CR200J动车组的F8分配阀中间体进行重新设计并打印出样品,同时提出一种基于增材制造的结构优化方法.优化的目标包括轻量化、制动性能、支撑及后处理,并对新旧设计进行了比较.提出的基于增材制造的结构优化方法对机械设计人员很友好,易于入手,具有较好的实用性和适用性.     

基于3D打印技术新型螺杆转子结构设计及分析

利用3D打印技术的成型特点,针对螺杆转子的复杂成型过程及轻量化设计思路,提出了3D打印技术在螺杆转子成型设计中的应用。通过对螺杆转子内部结构设计,采用聚乳酸(PLA)材料熔融堆积的方法,实现了新型蜂窝状空腔螺杆转子实体模型的建立,充分证明了3D打印技术在复杂工件成型过程中的优势,同时为螺杆转子结构优化及轻量化设计提供了新的参考。     

尺寸偏差控制技术在汽车塑料尾门中应用研究

近年来轻量化技术已成为汽车节能减排的关键技术之一,而塑料尾门的开发运用则是汽车轻量化设计的新趋势。目前将重点研究尺寸偏差控制技术在塑料尾门设计与制造中的应用。尺寸偏差控制技术主要分为前期设计阶段的尺寸偏差设计和后期工业化阶段的尺寸偏差调试。具体通过尺寸偏差控制技术在某车型塑料尾门开发中的运用实例,说明尺寸偏差控制技术的运用有助于塑料尾门的设计与制造。     

基于电场驱动熔融喷射聚合物基复合材料高分辨率3D打印

针对当前聚合物基复合材料（Polymer matrix composites,PMC）成型存在打印分辨率低、打印材料受限、成型结构较为简单、工序复杂等方面的不足和局限性,尤其是还面临难以实现宏/微结构跨尺度高效制造的挑战性难题,提出一种基于电场驱动熔融喷射PMC高分辨率3D打印新工艺。阐述了基于电场驱动熔融喷射PMC高分辨率3D打印的基本原理和工艺流程。通过试验,揭示了主要工艺参数（碳填料含量、施加电压、螺杆转速、打印速度、加热温度等）对于打印件分辨率（精度）和质量的影响及其规律。利用自主搭建的试验平台,并结合试验优化的工艺参数和提出的两种打印模式,实现了多层石墨烯/聚乳酸（Polylactic acid,PLA）和多壁碳纳米管/PLA复合材料微尺度三维网格、多层石墨烯/PLA大高宽比薄壁圆环、多壁碳纳米管/PLA复合材料柔性导电网格以及其他聚合物复合材料3D结构典型工程案例的制造。研究结果表明,提出的电场驱动熔融喷射3D打印能实现高分辨聚合物基复合材料成型（使用内径300 μm喷嘴,实现了分辨率为40 μm的PMC特征结构制造）,而且还具有大面积宏/微结构跨尺度集成制造的优势。     

连续纤维自增强复合材料3D打印及其回收性能研究

连续纤维增强复合材料3D打印工艺的出现,为复合材料构件低成本快速制造提供了一种新方法,为了充分利用3D打印连续纤维增强热塑性复合材料成形快,易成形复杂零部件的特点,结合自增强复合材料具有良好界面结合性,可循环利用的优势,分析了自增强复合材料3D打印技术研究的发展现状,提出一种利用过冷熔体成形连续纤维自增强复合材料的3D打印方法,设计了基于过冷的自增强复合材料熔融挤出打印喷头,采用聚苯硫醚(Polyphenylene sulfid,PPS)纤维与PPS树脂作为自增强复合材料原材料,探究自增强复合材料成形打印温度窗口、复合材料力学性能、微观界面结合性,以及对连续纤维自增强复合材料完全可回收性能研究分析。     

仿人机器人大腿结构轻量化及其快速成型技术

在先进仿人机器人的研制中,结构轻量化是其设计的关键。本文基于仿生学原理,依据人体股骨的CT扫描曲面设计了一种仿生机器人大腿;在大腿内部建立了沿竖直应力线方向的非对称空间四面体网格结构以实现其轻量化,再根据实际工况的静力学仿真结果对空间网格的不同位置进行疏密优化;最后采用选区激光熔融技术,在其内部网格不放置支撑的情况下3D打印了机器人大腿下端,以验证实心与空间网格嵌合体结构的可制造性。优化后的腿部重量比实心体大为减少,内部优化网格结构的应力峰值较优化前显著下降。3D打印出的制件完整良好,达到设计要求。为仿人机器人设计与制造提供了一种新思路。     

基于弯曲刚度和扭转刚度的白车身优化分析

随着全球能源的日益紧缺和和制造成本增加,汽车轻量化设计已经成为汽车制造商的主流设计。为了降低白车身的重量,提出了基于刚度灵敏度的方法来实现减重。以处在开发的中后期的某款车为例,利用有限元软件Nastran进行了计算和分析。综合质量灵敏度、刚度灵敏度和优化板件的数量,提出了两种优化方案。并考虑到汽车处在的开发阶段、成本以及整车性能,选取了最佳的优化方案,在不降低汽车性能或者性能降低较小的情况下,实现了车辆的轻量化。最后对优化方案的选用原则和要求进行了总结。     

某轿车复合材料座椅骨架轻量化研究

为实现节能减排,顺应汽车轻量化发展趋势,基于复合材料层合结构设计理论,提出一种使用碳纤维增强复合材料代替传统金属材料设计汽车座椅的方法。按照国家法规要求,利用HyperWork数值仿真分析软件对汽车座椅在实际工况中的力学特性进行分析,并根据复合材料层合结构等刚度设计理论,对座椅骨架进行材料体系构建,并对结构进行模态分析。结果表明,复合材料汽车座椅骨架在满足法规要求的基础上减重34.5%,并且前六阶固有频率得到了明显的提高。     

车身结构轻量化开发技术与实践

汽车轻量化不是简单意义上的用轻质材料替代原有材料,是在满足汽车使用要求和成本控制的条件下先进的设计技术与轻量化材料以及先进的制造技术相结合。包括从材料到零部件优化设计、先进制造技术、材料回收与再生技术、零部件维修技术等一系列关键支撑技术的突破。节能环保与汽车排放要求逐渐严格。轻量化是降低排放的有效途径,主要通过小型化、轻量化、紧凑型设计来实现节油耗降排放。     

通过增材制造的晶格结构实现无人机轻量化

基于3D打印的制造优势,针对无人机领域中热门的轻量化需求,以四旋翼无人机为臂架作为优化对象,研究了晶格轻量化臂架设计方案并通过3D打印技术将其实现.晶格轻量化通过在内部填充晶格,不影响无人机原有结构造型,来保证原有结构的稳定性及其他空气动力学相关指标.内部晶格填充参考仿生学设计,晶格造型为仿蜂巢的六边形晶格,结构稳定,综合性能良好.通过最小优化算法,在限定变形区间内找到使体积尽可能小的最优解,以此来达到轻量化的最佳效果.     

轻量化技术和材料在汽车工程中的应用

汽车轻量化技术是实现汽车节能减排、提高性能的关键技术之一。文中从轻量化设计、轻量化材料和轻量化工艺3个方面介绍了汽车结构轻量化技术的主要内容和实现方法,重点对高强度钢、铝合金、镁合金、碳纤维复合材料进行了介绍。     

轻量化蜂窝3D打印路径自适应生成技术

为了解决当前模型轻量化的力学性能问题,根据材料和压应力分析生成参数可控的蜂窝状路径轨迹,提出一种轻量化蜂窝3D打印路径的自适应生成技术。通过对蜂窝路径的参数优化设计,建立了基于材料最少的优化模型和自适应压应力轨迹优化模型;基于蜂窝结构在承载下的力学性能分析,实现了对非均布载荷下轻量化蜂窝轨迹的自适应生成。实验分析表明,该方法能生成参数可控的自适应蜂窝路径轨迹结构,并可实现轻量化结构的力学性能优化,为提高局部承载性能轻量化结构的直接打印生成提供了新的思路。     

支撑架底座的拓扑优化及3D打印一体化成型技术

通过采用拓扑优化设计及金属3D打印成型相结合的手段实现了支撑架底座的结构轻量化、刚度最大化设计成型。采用约束支撑底座的最大平均应力和体积范围,成功将体积减少了75%。然后通过3D打印成型制备了优化后的底座模型。结果表明,优化设计方法和3D打印技术相结合能够大大提升零件的设计效率,降低设计成本,缩短企业研发周期,是一种新型和有前景的零件设计、验证及成型一体化手段。