汽车铝合金前防撞横梁服役性能仿真及优化设计

以壁厚为设计变量，以碰撞安全性能优于原钢制横梁为设计约束，采用遗传算法开展了铝合金前防撞横梁设计及多目标优化。结果表明，在100%和40%重叠刚性墙低速碰撞工况下，原钢制前防撞横梁的碰撞支反力峰值、最大碰撞侵入位移和最大有效塑性应变分别为29.25和24.29 kN、36.84和39.80 mm以及0.30和0.21,存在开裂风险。总质量、最大碰撞侵入位移和碰撞支反力峰值响应对铝合金前防撞横梁后端面和前端面的壁厚变化较为敏感，而最大有效塑性应变响应则对垂向加强筋和横向加强筋的壁厚变化较为敏感。在100%和40%重叠刚性墙低速碰撞工况下，Pareto最优解的各项性能较原钢制前防撞横梁均有不同程度提升，最大碰撞侵入量分别降低了26.9%和40.7%,最大有效塑性应变分别降低了75.7%和52.4%,碰撞支反力峰值分别提升了43.6%和22.6%,实现了铝合金前防撞横梁总质量减重4.73 kg,减重54.8%。     

镁合金转向支撑的模态分析及其结构优化

为替代钢质转向支撑,对镁合金压铸替代结构进行模态对比分析及优化。结果表明,相比原钢结构,镁质转向支撑的前6阶固有频率有了提高,振动相对位移也有所降低。但由于镁合金的弹性模量明显低于钢,导致镁质结构上横梁等局部刚度较原钢结构下降,致使其相应位置一阶振动变形较原DC01钢质结构增大。经对镁质结构进行优化,提高横梁等处局部位置的刚度,使镁质转向支撑的模态特性达到和部分超过钢质转向支撑。     

铝合金前防撞横梁的服役性能预测及评价

在某车型前舱的设计空间内，设计了一款基于铝型材的前防撞横梁，并通过准静态和动态拉伸试验获得了铝合金的应力-应变曲线，开展了前防撞横梁的服役性能预测及评价。结果表明，6061-T6和6082-T6铝合金的流变应力具有明显的应变速率效应。相比之下，6061-T6铝合金的屈服强度略高，而6082-T6铝合金的应变硬化和应变速率硬化更强；40%重叠偏置碰撞的最大侵入量和应变均大于100%重叠正面碰撞，两者的最大侵入量分别为29.2和29.1 mm,最终侵入量分别为22.4和14.9 mm;拖钩强度工况下，前防撞横梁各结构和焊缝的安全系数均大于1.45,6061-T6铝合金部件、6082-T6铝合金部件和焊缝处的最大疲劳损伤分别为0.435、0.103和0.460,满足强度和损伤的评价指标。     

爱驰汽车钢-铝混合车身的U5于2019年12月上市

爱驰汽车U5为一款纯电动中型SUV车型,于2019年12月中旬正式上市。在其车身结构方面,爱驰U5采用了上钢下铝车身设计,下车身从轻量化与吸能考虑,采用了铝合金结构,包括:挤压铝合金前碰撞横梁、一体铸造式铝合金减震塔、真空压铸铝合金横梁和纵梁等。底盘部分大量采用铝合金。爱驰U5用铝比率为52%,其中:铝板为7.1%;铝型材为25.2%;真空压铸铝为19.7%。在钢铝混合结构车身连接技术上,采用了包括SPR(自冲铆连接)、FDS、CMT焊、点焊,以及螺栓、套筒在内的紧固连接技术.     

一体化铝型材前防撞梁系统碰撞分析

为取消前防撞梁系统横梁与吸能盒之间的连接工序，对某轿车的前防撞梁系统进行了一体化结构设计，用一根型材折弯、机加成一个将横梁与吸能盒一体化的零部件。利用有限元分析软件分别对传统铝制防撞梁系统以及一体化铝型材防撞梁系统进行基于RCAR的低速碰撞仿真分析和基于C-NCAP的高速碰撞仿真分析，得到了两种结构形式的吸能特性。一体化铝型材防撞梁系统在很多方面优于传统铝制防撞梁系统。     

基于热辊弯工艺的汽车前保险杠变强度优化设计

为提高某车型前保险杠横梁碰撞性能,优化其碰撞过程中的变形模式,基于热辊弯工艺特点,以前保险杠横梁不同承载区域的强度为变量,采用拉丁超立方生成样本数据并计算,对计算结果应用移动最小二乘法构建近似模型,以峰值载荷最大值为目标,以变形量为约束条件,通过遗传算法进行优化求解,得到汽车前保险杠横梁变强度优化设计方案。优化结果表明:变强度前保险杠方案相较于基础模型方案,峰值载荷提高了4%,变形量降低了65%,变形模式及碰撞性能方面均得到了提升。根据优化设计方案完成变强度热辊弯样件的试制,结果显示:通过在管件不同位置进行差异性淬火强化能够实现变强度分布。     

基于拓扑优化的龙门加工中心横梁轻量化设计

以大型铝材构件高速高效龙门加工中心的焊接横梁为研究对象,确定其结构原始方案,并对该方案进行静动态特性分析,获取主轴组件沿机床Y/Z向移动时刀头的位移情况以及横梁的前六阶固有频率和振型。基于变密度法对连续体结构横梁进行了拓扑优化设计,建立了最大刚度设计的拓扑优化模型和特征值问题的结构动力学拓扑优化模型。在Hypermesh/Optisruct中建立了不同优化模型的目标函数、约束条件、优化变量,对横梁的板筋布置、后壁板分别进行的优化。与优化前的结构相比较横梁的重量减轻11.5%,实现了横梁的轻量化设计,同时横梁的综合性能得到了明显的改善。     

基于Design Explorer的激光切割机横梁优化设计

以某型激光切割机横梁为研究对象,使用ANSYS Design Explorer优化设计模块,将激光切割机横梁的加强筋尺寸、壁厚、矩形孔作为主要的优化参数,在该横梁原强度和刚度不变的前提下对其进行轻量化设计。分别使用优化前后的2个横梁进行工件切割试验,试验结果表明:优化后该横梁的总变形、应力、应变最大值有所下降且分布得到改善,切割工件的切割质量得到提升,质量减少了10.5%     

轿车保险杠横梁热成形技术和数值模拟

以整车轻量化为背景,按照高强度钢板热成形的工艺要求,将捷达车原辊压成形的保险杠横梁进行截面和壁厚优化,最后通过静态弯曲数值模拟对设计进行了验证,高强度钢板热成形的保险杠横梁较原普通钢板辊压成形的保险杠横梁更轻且强度更高。     

基于响应面和神经网络模型的7003-T4铝合金防撞横梁拉弯成形多目标优化

以截面形状为目字形的7003-T4铝合金型材为研究对象,以防撞横梁质量最轻和型材拉弯成形之后的截面畸变量最小为目标,以回弹量和最大减薄率为成形质量约束,以横梁摆锤碰撞时摆锤侵入位移为刚度约束,基于有限元仿真技术和NSGA-Ⅱ多目标优化算法,对型材筋的分布、厚度分布以及拉弯成形时的预拉力大小和摩擦系数进行优化设计。研究表明:在没有补拉阶段的型材拉弯成形过程中,影响型材成形后回弹量和截面畸变量的敏感因素顺序为:预拉力大小、摩擦系数;所建立的防撞横梁质量以及摆锤碰撞刚度的多项式响应面模型和回弹量、截面畸变量以及最大减薄率的神经网络模型均具有较高的精度;通过NSGA-Ⅱ多目标优化算法获得型材结构-工艺参数的Pareto最优解。     

一种铝合金翼开启厢式货车车厢两翼的优化设计

铝合金具有比重小、冲压塑性大、耐腐蚀、回收价值高等优势,有些牌号的铝合金在使用性能上已接近或者超越传统钢铁材料。用铝合金材料替代钢材进行翼开启厢式车开发研究有重要意义。对现有Q235材料车厢两翼结构和铝合金材料两翼相同部分进行有限元分析,对铝合金材料车厢两翼结构进行相应拓扑优化,得近似桥梁桁架的两翼改进结构。分析结果表明:铝合金材料车厢两翼骨架改进结构满足强度等设计要求,翼开启厢式车车厢两翼轻量295%,优化设计取得良好效果。     

CAE在汽车座椅轻量化设计中的应用

以汽车座椅靠背为研究对象，利用材料力学原理分别设计3种不同截面形状的钢制座椅靠背圆钢管，基于Hyper Works有限元软件对3种方案进行静强度模拟分析，运用密度法对新型铝合金座椅骨架进行拓扑优化设计。结果表明：截面为椭圆型的钢管比等截面面积的圆形钢管具有更大的抗弯强度，拓扑优化是一种有效的结构概念设计方法，使铝合金座椅靠背质量减轻16．5％，从结构和材料2方面实现了汽车座精轻量化的目的。     

TiB2基陶瓷复合材料超高速撞击损伤行为研究

为了提高航天器对空间碎片的防护能力,设计了以TiB_2基陶瓷复合材料为缓冲屏的Whipple式防护构型(单层TiB_2基陶瓷缓冲屏以及TiB_2基陶瓷/铝合金缓冲屏),利用二级轻气炮在2.88~7.32 km/s的撞击速度范围内开展超高速撞击实验,并对上述缓冲屏与典型全铝合金缓冲屏进行比较验证。通过分析不同撞击速度下缓冲屏的穿孔、后墙损伤、碎片云结构特征,并结合SEM微观损伤形貌和EDS元素分布模式,重点阐述了不同缓冲屏材料特性与结构特性对碎片云形成以及后墙撞击成坑之间的作用关系。研究表明,单层TiB_2基陶瓷复合材料缓冲屏可以有效破碎铝合金弹丸获得更加细小的碎片云颗粒,由于碎片云动能被有效分散到更为广泛的细小碎片颗粒当中,从而获得比等面密度典型全铝缓冲屏更为优异的防护性能,且防护性能随着撞击速度的增加而有所提高。相反的,TiB_2基陶瓷/铝合金缓冲屏由于异质材料之间波阻抗的明显差异,在超高速撞击下会导致陶瓷前面板的严重断裂并造成铝合金后板的花瓣状破坏,且损伤程度随着撞击速度和弹丸尺寸的增加而增加,由于不能有效细化碎片云颗粒,其防护效能反而低于等面密度典型全铝缓冲屏。     

Formation mechanism and control of aluminum layer thickness fluctuation in embedded aluminum–steel composite sheet produced by cold roll bonding process

The influences of rolling reduction and aluminum sheet initial thickness (AIT) on the thickness fluctuation of aluminum layer (TFA) of embedded aluminum–steel composite sheet produced by cold roll bonding were investigated, the formation mechanism of TFA was analyzed and method to improve the thickness uniformity of the aluminum layer was proposed. The results showed that when the reduction increased, TFA increased gradually. When the reduction was lower than 40%, AIT had negligible effect on the TFA, while TFA increased with the decrease of AIT when the reduction was higher than 40%. The non-uniformities of the steel surface deformation and the interfacial bonding extent caused by the work-hardened steel surface layer, were the main reasons for the formation of TFA. Adopting an appropriate surface treatment can help to decrease the hardening extent of the steel surface for improving the deformation uniformity during cold roll bonding process, which effectively improved the aluminum thickness uniformity of the embedded aluminum/steel composite sheets.     

液压缓冲器节流杆优化设计

对液压缓冲器节流杆进行优化设计。建立液压缓冲器节流杆优化模型,以节流杆尺寸参数为设计变量,以缓冲过程平均减速度和最大缓冲行程为目标函数,通过线性组合法构架多目标评价函数,采用多岛遗传算法,寻求节流杆尺寸的最优设计。优化结果表明:优化后的节流杆具有更好的缓冲性能。对该型液压缓冲器的改进设计提供了一种可行的方案和参考。     

单流板坯中间包挡坝结构优化的数值模拟

以某钢厂单流板坯中间包为基础,采用数值模拟的方法对中间包挡坝结构优化前后钢液流场及夹杂物去除效果进行了研究。结果表明,挡坝优化后部分钢液通过斜上导流孔流出,减弱了钢水沿挡坝向上流动对液面产生的冲击,也避免了其沿包底直接流出形成的短路流。30°导流孔条件下中间包钢液平均停留时间最长,死区最小,流动状态最合理。当导流孔角度进一步增加,钢液流出导流孔后快速汇入挡坝后方的大环流导致停留时间减少。30°导流孔结构的夹杂物去除率相比于原结构提高约11%。当导流孔角度进一步增大,夹杂物去除率下降,但都略优于原始挡坝结构。新导流孔结构工业应用后,各类夹杂物评级结果均显著提高。     

Q235钢与5052铝合金感应-静压焊接头界面微观组织和力学性能

为了有效实现车身上的钢/铝复合结构连接，提出了一种新型的焊接与连接技术?感应-静压焊(induction-pressure welding，IPW). 通过光学显微镜、电子扫描显微镜对钢/铝合金连接界面的组织形貌进行观察，通过X射线色散能谱仪、X射线衍射仪及显微硬度计测试了钢/铝连接界面的化学成分、金属间化合物种类以及显微硬度. 结果表明，采用感应-静压焊工艺可以实现Q235钢与5052铝合金的有效连接. 接头界面上1、2号试样的金属间化合物平均厚度分别为115，85 μm. 接头界面的微观组织形貌呈锯齿状，并且组织向钢侧生长. 接头界面组织的硬度明显高于两侧钢铝基体组织的硬度，1，2号试样接头的抗拉强度分别为49，158 MPa. 同时，在整个感应-静压焊工艺过程中，随着加热温度的降低，金属间化合物厚度呈线性减少. 此外，还发现铝原子的扩散能力显著高于铁原子. 故而，在钢/铝感应-静压焊接头界面生成了富铝的金属间化合物Fe₂Al₅和FeAl₂.     

乙醇冷媒液中复配缓蚀剂的研究

通过失重法测定了A3钢、铜、铝在20%乙醇冷媒液中的腐蚀速率和复配缓蚀剂的缓蚀效果，筛选出不含 NO-2的复配缓蚀剂.该缓蚀剂可以有效减缓碳钢、不锈钢、紫铜和铝合金材料在乙醇冷媒液中的腐蚀，同时提高冷媒液的稳定性，改善其冰点和沸点.     

基于Optistruct的数控折弯机滑块的拓扑优化

利用Hyperworks软件建立了数控折弯机滑块的三维有限元模型,应用Optistruct优化模块中的渐进结构优化算法对滑块进行了基于位移和应力约束的拓扑优化,在Ansys中对优化前后相同工况下滑块的静态特性进行分析与比较.结果表明,在满足折弯机性能要求的条件下减轻了滑块的重量.为折弯机的合理设计与优化提供了可靠的依据.