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面向增材制造的汽车薄壁结构轻量化建模方法

发布时间:2017-07-19 05:18

  本文关键词:面向增材制造的汽车薄壁结构轻量化建模方法


  更多相关文章: 增材制造 轻量化建模 热源扩散 多胞加强结构 汽车造型


【摘要】:近年来,由于增材制造技术(3D打印)能够制造任意复杂模型的特点,在个性化以及形状复杂制品的定制和加工方面得到广泛应用。利用这一特点,将该技术应用在汽车造型设计领域中,能够快速呈现汽车设计师的设计意图,相比于传统的多个等比例缩小油泥模型的制作,极大的缩短了产品开发周期,提高模型制作精度。但是现阶段针对汽车薄壁结构模型的3D打印,大都采用等厚度的方式,方法虽然简单、易于操作,但是对薄壁模型进行整体统一加厚的方式存在两方面缺陷:一是薄壁厚度尺寸只能根据经验进行选择,为了增加局部强度,常采取整体加厚的方式,造成材料的浪费;二是随着3D打印技术的普及带来的社会化建模问题。由于设计者缺乏结构设计经验,常会出现由于力学性能不足而引起的模型破坏现象。因此在保证模型外观精度及结构强度前提下,如何对汽车薄壁结构进行轻量化建模是本文的研究重点。针对汽车薄壁结构的优化,本文提出了基于热源扩散的变厚度方法以及多胞加强结构两种方法,论文以某汽车外壳等比例缩小模型为研究对象。具体如下所示:(1)针对汽车薄壁结构的优化建模问题,提出了一个系统的可行解决方案,首先,利用模型热扩散方法模拟模型受力分布,检测各节点热量值并赋予相应的厚度,然后通过数值分析、三维打印以及实验验证完整的方法,对模型厚度进行优化,最终得到了满足性能要求的轻量化模型,该方法相对于传统等厚度模型的打印,质量节省30%左右,极大的节省了模型打印的时间和材料成本,汽车薄壁结构的成功打印,验证了该方法的有效性和可行性。(2)针对多胞加强结构在薄壁结构上的应用,利用多准则决策方法,对比三种多胞加强结构在模型弯曲和扭转工况下的力学性能,并对选定的六边形结构进行尺寸优化,以柔度和体积最小为目标,得到帕累托最优解集。最后对比了弯曲和扭转工况下,多胞加强结构相对于等厚度结构的性能,结果表明,在满足同等柔度条件下,质量分别减少了17%和20%左右,验证了多胞加强结构在轻量化设计和打印方面的可行性。针对汽车车身薄壁结构模型,本文提出的两种广义意义上的变厚度方法,结合增材制造技术在复杂模型加工的技术优势,实现了汽车车身模型的蒙皮和骨架的一体化设计与制造,在车身造型领域的应用具有现实可行性。
【关键词】:增材制造 轻量化建模 热源扩散 多胞加强结构 汽车造型
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:U462
【目录】:
  • 摘要4-5
  • Abstract5-9
  • 1 绪论9-17
  • 1.1 研究背景9-11
  • 1.2 相关工作11-15
  • 1.2.1 增材制造应用研究11-13
  • 1.2.2 变厚度拓扑优化13-14
  • 1.2.3 薄壁加强筋结构设计14-15
  • 1.3 本文工作15-16
  • 1.4 本章小结16-17
  • 2 增材制造及其汽车行业应用17-29
  • 2.1 增材制造技术17-20
  • 2.2 汽车行业应用20-27
  • 2.2.1 汽车整车打印案例20-22
  • 2.2.2 汽车零部件打印应用22-24
  • 2.2.3 汽车车身造型研发24-27
  • 2.3 本章小结27-29
  • 3 基于热扩散的汽车薄壁结构轻量化建模29-40
  • 3.1 方法概述29-30
  • 3.2 薄壁结构轻量化建模30-36
  • 3.2.1 模型特征分析及提取31-32
  • 3.2.2 受力模拟与厚度优化32-35
  • 3.2.3 几何建模35
  • 3.2.4 制造及工程受力验证35-36
  • 3.3 实验结果36-39
  • 3.4 本章小结39-40
  • 4 薄壁结构多胞加强结构的建模与优化40-62
  • 4.1 多胞加强结构建模40-41
  • 4.2 多胞加强筋结构性能对比41-48
  • 4.2.1 评价指标42
  • 4.2.2 有限元模型42-43
  • 4.2.3 结果分析43-45
  • 4.2.4 多属性决策分析45-48
  • 4.3 多胞加强结构尺寸优化48-59
  • 4.3.1 构建优化模型48-49
  • 4.3.2 试验设计49-52
  • 4.3.3 近似模型52-54
  • 4.3.4 NSGA-Ⅱ遗传算法优化结果分析54-55
  • 4.3.5 不同工况下的多目标优化55-59
  • 4.4 优化前后性能对比59-60
  • 4.5 模型打印60-61
  • 4.6 本章小结61-62
  • 结论62-63
  • 参考文献63-67
  • 攻读硕士学位期间发表学术论文情况67-68
  • 致谢68-69

【参考文献】

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本文编号:561392

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