车门外把手拓扑优化研究理工【字数：10872】
如今社会，因为经济和科技的迅速崛起，汽车行业也正处在不断向上发展的状态中，因为它为人们的生活提供了很大的帮助，所以几乎家家户户都有一辆车。汽车车门外把手虽然在汽车上所占的比重不是很大，但是如果有人要上车他们首先接触到的就是车的门把手，它既属于外观件也属于功能件，因此对它的美观度、质量和刚度、触摸时的舒适度都有很高的要求。在保持或增强其性能的基础上，车门外把手的优化设计可以采用人机工程学的轻量化设计理念来进行实际操作并对此深入研究。要想对汽车零部件进行结构优化和轻量化设计、车身结构设计我们可以运用拓扑优化技术，这项技术在现实生活中也有着十分重大的意义。本文在论述某汽车车门外把手轻量化设计的可行性上是以HyperWorks拓扑优化技术为基础的。文章首先对拓扑优化以及三维建模等基本的知识进行了一个阐述，为后面车门外把手模型的优化打下一个良好的基础。然后需要对汽车车门外把手进行三维建模，最后完成对汽车车门外把手的拓扑优化。优化结果表明，改进后的汽车车门外把手的质量有所减少，轻量化设计得到了实现，表明拓扑优化结果在理论上是可以实现的，对我国汽车零部件以及汽车行业的发展具有积极的借鉴意义和推动作用。
目录
1.绪论1
1.1研究背景和研究意义1
1.2国内外研究现状2
1.3研究内容4
2.拓扑优化基本理论5
2.1拓扑优化的概念5
2.2拓扑优化方法和原理6
2.2.1拓扑优化设计的方法6
2.2.2密度法理论和模型8
3.车门外把手三维建模10
3.1软件介绍10
3.2Solidworks建模过程10
3.3车门外把手的三维建模11
4.车门外把手拓扑优化设计13
4.1车门外把手静力分析13
4.1.1边界条件的确定13
4.1.2原始结构静力分析13
4.2车门外把手拓扑优化设计15
4.3对比分析16
5.结论和展望17
参考文献18
致谢19
1绪论
1.1研究背景和研究意义
现如今，随着经济和科技的迅速崛起 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
，因为汽车工业迅速的发展，为现代人类文化史上添加了浓墨重彩的一笔。现在，汽车已成为人们出行游玩时最主要的一种交通工具，人们在生活中根本离不开它，越来越依赖它。因为我国汽车工业起步发展较晚，所以汽车工业与其他国家相比比较落后，要想形成较为完整的汽车工业体系至少要经过几十年的发展。根据相关数据显示，我国汽车年产量与往年相比都在不断地上升。汽车产量的快速增长导致我国的能源储藏量在不断地降低，国内每年都会有数以万计的汽油被消耗，而这主要的根源就是汽车。根据相关数据显示：2016年我国汽油消费量为1.20亿吨，柴油消耗量为1.65亿吨。而对应的汽油和柴油产量分别为1.29亿吨和1.79亿吨。从这些数据中可以看出我国的燃油消耗量和产量相差不多，如果照这个样子发展下去我相信不用多长时间我国的能源就会枯竭。从如今的技术程度可以看出，人们想要找到可以完全替换石油的能源还是有些困难的，目前市场上流通的大部分汽车仍然是汽油车和柴油车，这种情况对不可再生的石油能源来说是一个巨大的问题。不仅如此汽车对环境的危害也很严重。传统的汽车尾气排放包含固体悬浮微粒、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅及硫氧化合物和氮氧化合物等，在空气污染物的总量中占了绝大多数，是空气污染的主要根源。汽车尾气中的有害物质不仅对大自然造成了危害而且也会影响人们的身体健康。要想进一步发展汽车工业就必须先考虑我国的能源稀缺问题以及如何减少尾气中的有害物质。经过大量的实验发现汽车整体重量每减少10%，油耗将下降10%，使排放量降低5%6%。汽车重量与燃油消耗的关系如图11所示。
图11 汽车质量与燃油消耗率的关系
影响汽车燃油消耗率的因素有汽车质量，所以要想使汽车的燃油消耗率有所降低我们可以对汽车进行轻量化设计。我相信，不久的将来汽车的油耗会越来越低。经过轻量化的设计以后汽车的性能也提高了不少。通过对汽车的轻量化设计使汽车的整体质量得到了减轻，从而减少了汽车零部件的疲劳磨损，增加了它的使用寿命同时还提高了汽车的加速性能。总而言之，我们通过对汽车的轻量化可以降低燃油消耗率，提高汽车本身的性能。因为对整辆汽车进行轻量化设计的难度比较大，因此在这里我们选用汽车车门上的门把手进行优化设计。
汽车轻量化是降低能源消耗减少排放污染的重要的措施之一。对汽车轻量化设计可以采用汽车结构优化的方法。要想使设计出的结构满足质量轻、体积小、成本低、强度高等优点，必须对汽车结构优化进行深入了解。然而，因为汽车零件的构造往往相对复杂，采用传统的方法对其进行优化的效果不是很明显。在计算机技术和有限元方法的不断发展下，设计师们可以通过计算机使用有限元方法快速的解决结构优化的问题。有限元方法为结构优化提供了一个平台，在这个平台上可以对需要设计的零件进行结构分析和计算。?
工作人员可以利用计算机在设计车门把手时进行结构优化并模拟当时的约束条件和载重质量。设计结构以满足性能和质量要求。当产品不满足条件时，可以进行有限元分析和结构优化，直到满足性能要求。把计算机的有限元分析和结构优化技术运用到实际生活中不仅大大地减少了很多人工，而且还降低了材料的浪费，节约了产品设计所花费的时间。
1.2国内外研究现状
根据相关资料显示，国内外很多机构和专家都对结构优化技术展开了很多的研究，也取得了不小的成就。像Maxwell便在上世纪末对拓扑分析进行了相关的研究，将这项技术应用到了桁架的研究之中，并在其研究之中加入了应力的要素，这样便可以发现优化出来的结果相较以前有了很大的改进。后来美国的科学家Michell在原先研究的基础之上进行了一定的改进和补充，其主要研究的工况是单载荷工况下，对于原先研究不多的这种工况下的拓扑优化有了很大的补充，极大地促进了理论桁架的相关理论。而后，经过几十年的发展，拓扑优化的相关理论有了很大的进步，像Dorn等人提出了基结构法将数值理论便是其中最具代表性的理论。该理论是在上世纪六十年代提出的，这种方法在原先拓扑优化的理论之上加入了数值计算的方法，显得更加准确。Ishihama等研究在不降低卡车性能的前提之下，采用结构拓扑优化方法对卡车车门外把手进行研究，研究发现能够很好地降低卡车的总质量[1]。而Pederson则将拓扑优化方法应用在汽车车门外把手等其他部件的优化设计中，但是其理论更加侧重汽车车门的安全性的设计，这样对于提升汽车的性能有着很大的帮助[2]。
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1.绪论1
1.1研究背景和研究意义1
1.2国内外研究现状2
1.3研究内容4
2.拓扑优化基本理论5
2.1拓扑优化的概念5
2.2拓扑优化方法和原理6
2.2.1拓扑优化设计的方法6
2.2.2密度法理论和模型8
3.车门外把手三维建模10
3.1软件介绍10
3.2Solidworks建模过程10
3.3车门外把手的三维建模11
4.车门外把手拓扑优化设计13
4.1车门外把手静力分析13
4.1.1边界条件的确定13
4.1.2原始结构静力分析13
4.2车门外把手拓扑优化设计15
4.3对比分析16
5.结论和展望17
参考文献18
致谢19
1绪论
1.1研究背景和研究意义
现如今，随着经济和科技的迅速崛起 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
，因为汽车工业迅速的发展，为现代人类文化史上添加了浓墨重彩的一笔。现在，汽车已成为人们出行游玩时最主要的一种交通工具，人们在生活中根本离不开它，越来越依赖它。因为我国汽车工业起步发展较晚，所以汽车工业与其他国家相比比较落后，要想形成较为完整的汽车工业体系至少要经过几十年的发展。根据相关数据显示，我国汽车年产量与往年相比都在不断地上升。汽车产量的快速增长导致我国的能源储藏量在不断地降低，国内每年都会有数以万计的汽油被消耗，而这主要的根源就是汽车。根据相关数据显示：2016年我国汽油消费量为1.20亿吨，柴油消耗量为1.65亿吨。而对应的汽油和柴油产量分别为1.29亿吨和1.79亿吨。从这些数据中可以看出我国的燃油消耗量和产量相差不多，如果照这个样子发展下去我相信不用多长时间我国的能源就会枯竭。从如今的技术程度可以看出，人们想要找到可以完全替换石油的能源还是有些困难的，目前市场上流通的大部分汽车仍然是汽油车和柴油车，这种情况对不可再生的石油能源来说是一个巨大的问题。不仅如此汽车对环境的危害也很严重。传统的汽车尾气排放包含固体悬浮微粒、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、铅及硫氧化合物和氮氧化合物等，在空气污染物的总量中占了绝大多数，是空气污染的主要根源。汽车尾气中的有害物质不仅对大自然造成了危害而且也会影响人们的身体健康。要想进一步发展汽车工业就必须先考虑我国的能源稀缺问题以及如何减少尾气中的有害物质。经过大量的实验发现汽车整体重量每减少10%，油耗将下降10%，使排放量降低5%6%。汽车重量与燃油消耗的关系如图11所示。
图11 汽车质量与燃油消耗率的关系
影响汽车燃油消耗率的因素有汽车质量，所以要想使汽车的燃油消耗率有所降低我们可以对汽车进行轻量化设计。我相信，不久的将来汽车的油耗会越来越低。经过轻量化的设计以后汽车的性能也提高了不少。通过对汽车的轻量化设计使汽车的整体质量得到了减轻，从而减少了汽车零部件的疲劳磨损，增加了它的使用寿命同时还提高了汽车的加速性能。总而言之，我们通过对汽车的轻量化可以降低燃油消耗率，提高汽车本身的性能。因为对整辆汽车进行轻量化设计的难度比较大，因此在这里我们选用汽车车门上的门把手进行优化设计。
汽车轻量化是降低能源消耗减少排放污染的重要的措施之一。对汽车轻量化设计可以采用汽车结构优化的方法。要想使设计出的结构满足质量轻、体积小、成本低、强度高等优点，必须对汽车结构优化进行深入了解。然而，因为汽车零件的构造往往相对复杂，采用传统的方法对其进行优化的效果不是很明显。在计算机技术和有限元方法的不断发展下，设计师们可以通过计算机使用有限元方法快速的解决结构优化的问题。有限元方法为结构优化提供了一个平台，在这个平台上可以对需要设计的零件进行结构分析和计算。?
工作人员可以利用计算机在设计车门把手时进行结构优化并模拟当时的约束条件和载重质量。设计结构以满足性能和质量要求。当产品不满足条件时，可以进行有限元分析和结构优化，直到满足性能要求。把计算机的有限元分析和结构优化技术运用到实际生活中不仅大大地减少了很多人工，而且还降低了材料的浪费，节约了产品设计所花费的时间。
1.2国内外研究现状
根据相关资料显示，国内外很多机构和专家都对结构优化技术展开了很多的研究，也取得了不小的成就。像Maxwell便在上世纪末对拓扑分析进行了相关的研究，将这项技术应用到了桁架的研究之中，并在其研究之中加入了应力的要素，这样便可以发现优化出来的结果相较以前有了很大的改进。后来美国的科学家Michell在原先研究的基础之上进行了一定的改进和补充，其主要研究的工况是单载荷工况下，对于原先研究不多的这种工况下的拓扑优化有了很大的补充，极大地促进了理论桁架的相关理论。而后，经过几十年的发展，拓扑优化的相关理论有了很大的进步，像Dorn等人提出了基结构法将数值理论便是其中最具代表性的理论。该理论是在上世纪六十年代提出的，这种方法在原先拓扑优化的理论之上加入了数值计算的方法，显得更加准确。Ishihama等研究在不降低卡车性能的前提之下，采用结构拓扑优化方法对卡车车门外把手进行研究，研究发现能够很好地降低卡车的总质量[1]。而Pederson则将拓扑优化方法应用在汽车车门外把手等其他部件的优化设计中，但是其理论更加侧重汽车车门的安全性的设计，这样对于提升汽车的性能有着很大的帮助[2]。
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