保險杠結構參數化模型的建立與機械參數優化設計

摘 要：本文首先介紹了汽車保險杠結構的數字CAE建模，將3D建模的IDES格式從UG軟件導入到HyperWorks軟件中，以進行有限元分析，保險杠的參數化建模和詳細的設計。保險杠的機械性能分析后，根據靈敏度對參數和結構設計的影響為保險杠的結構優化提出了切實可行的措施。

關鍵詞：HyperWorks;模型建立;機械參數優化

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杠，而且還配備有吸收和減弱外部沖擊力，保護車身并確保乘員安全的作用。同時，保險杠是最復雜的組件，車外零件數量最多。保險杠的外觀質量和樣式是十分重要的，客戶對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、防撞警報器和保險等其他部件，因此保險桿的設計很難設計。

2 保險杠功能

2.1 在一定速度下發生碰撞時保護車輛

如今設計汽車，安全是放在第一位的。保險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，相當于8km/h的速度，有些規定放寬到4km/h。撞擊后，有一些措施來保護車身和車身功能部件。

2.2 發生碰撞時保護行人

保險杠需要有柔軟的表面，如果是撞擊行人時，能保護他們。它不應鋒利而堅硬，最好光滑而有彈性。某些汽車保險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，這就在保護行人的同時保護車體[1]。

2.3 車身外部裝飾

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

2.4 配套功能

一些保險杠需要與燈、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通過螺釘安裝燈體，或設計燈板以安裝燈并在設計時將燈體留在保險杠上要考慮的燈體尺寸。在設計和安裝車牌時，應按照《汽車和拖車的車牌和位置》的法律要求。

3 保險杠結構的CAE數字化建模

為了有效使用有限元分析方法，通過模擬仿真技術，從而達到檢查保險杠結構的機械性能的目的。首先，我們需要通過CAE軟件來建立保險杠結構的機械性能仿真模型。通過謹慎的處理結構，達到創建保險杠動力學模型的目的。

在許多有限元分析軟件中，使用HyperWorks軟件對保險杠結構進行數字CAE建模的技術在國外已得到廣泛應用。該程序根據用戶需要，在大小和形狀上有所改進優化。從實際的公司中，我們確定了標準計算機，它是用回旋模型建模的，后來又用于進一步開發的功能，并以各種軟件中的IGES格式進行獨家系統分析。然后，我們對保險杠進行建模，使其具有理想的樣本尺寸和更好的形狀。

由于保險杠的整體質量較重，但長度相對較軟，因此必須將支架牢固并且可以將保險杠夾緊以防止其從上方掉落，這對穩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，在空間結構中使用具有四個節點元素且元素大小為20mm的離散處理保險杠結構。創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置螺紋接觸[2]。

4 保險杠機械參數的優化設計

保險杠的機械性能參數和設計靈敏度是影響保險杠正常運行的主要機械參數。保險杠材料的扭轉強度，彎曲強度，材料厚度，彈性模量，泊松比和屈服強度是重要的機械性能參數。

4.1 保險杠的機械性能參數

實驗表明，當剪切載荷時，柔韌性會迅速下降，并且扭曲會慢慢消失。仿真的結果在實踐中也得到了證明，如果汽車保險杠的翼發生碰撞，并且在裝載有效載荷時負載能力受到最大威脅，則沖擊力的沖擊力會非常低并發生彎曲。由于衍射會引起一定的曲率，因此部件可能會在短時間內急劇下降[3]。

4.2 保險杠靈敏度

靈敏度分析可以有很多的用處，它能確定優化的方向，我們通過更改不同零件的尺寸來求解每個零件的厚度倒數方程。隨著板材厚度的增加，車身質量對整體結構的影響大于剛度的影響。

4.3 優化保險杠的機械結構

首先，根據更換保險杠材料的要求，可以使用密度低且體積大的輕質材料。考慮屈服強度。其次，調整零件的幾何位置和尺寸，增加鋼筋，調整封閉結構并將原始非封閉結構更改為封閉結構。第三，通過不同的需求來控制保險杠材料的厚度，安裝孔的位置根據需要設置，從而提高彈性模塊和其他機械性能[4]。

5 結束語

機械結構的優化設計出現的不是很早，它是在20世紀發展起來的。這種優化主要基于一種將數學上的優化理論，并通過與設計領域相結合的方法，以便人們在解決某種機械問題時，可以解決其它的同類的機械問題。使得我們可以在設計中找到最適合的方案，通過完美的設計從而節省大量的人力物力，從而達到節省成本的目的。

參考文獻：

[1]賴嘯，劉勇，郭晟.汽車保險杠結構參數化模型的建立與機械參數優化設計[J].汽車與駕駛維修（維修版），2018.

[2]劉潔，張和平.基于ANSYS參數化語言的機械結構優化設計[J].沈陽化工學院學報，2018，18（03）.

[3]譚飛，王旭飛，焦登寧等.某微型電動汽車保險杠結構優化及仿真分析[J].陜西理工大學學報：自然科學版，2019（06）.

[4]張世湖，呂偉妮，陳俊等.汽車塑料保險杠模態分析及其結構優化[J].汽車實用技術，2019，000（012）.

作者簡介：李剛強（1974-），男，山東濰坊人，本科，講師，從事教學工作。