汽车保险杠的逆向建模与有限元分析【字数：14100】
随着社会的不断发展，汽车已经成为人们日常出行必不可少的交通工具，但随之而来的就是不断发生的交通事故。所以提高车身的安全性能，最大化的保护驾驶员已经成为汽车设计过程中重要的考虑因素。汽车的保险杠作为车身安全结构的重要部位，它的设计也越来越受到研发公司的关注。本文以某款汽车的保险杠外壳作为研究对象，首先运用逆向技术对其进行建模，之后用Hypermesh软件对模型进行有限元网格的划分，当网格的质量达到仿真模拟的要求时，再赋予对应的材料属性以及与车身的连接关系，最后对它进行模态以及强度等方面的分析。最终分析结果为三种工况条件下材料的承受的最大弯曲为16MPa,而材料的屈服极限为20MPa，所以保险杠的结构设计是合理的，可以起到保护驾驶员的作用。
目录
摘要 I
Abstract II
1 绪论 1
1.1 汽车保险杠设计的发展历程 1
1.2 逆向工程对车身设计的意义 2
1.3 有限元分析对于车身设计的意义 3
1.4 有限元分析发展的趋势 4
1.5 课题的研究目的及内容 5
2 逆向及有限元软件的介绍 6
2.1 CATIA软件简介 6
2.2 Hypermesh软件简介 7
2.3 本章小结 8
3 汽车前保险杠的逆向建模 9
3.1 汽车前保险杠外壳点云的选取 9
3.2 汽车前保险杠外壳的逆向建模 9
3.3 本章小结 15
4 汽车前保险杠外壳的有限元分析 17
4.1 汽车前保险杠有限元模型的建立 17
4.1.1 前保险杠外壳网格的划分 17
4.1.2 各部分厚度的定义 19
4.1.3 材料属性的定义 20
4.1.4 工业上各结构命名的原则 20
4.2 前保险杠外壳的模态分析 21
4.3 前保险杠外壳的强度分析 24
4.3.1 工况的定义 24
4.3.2 强度分析的过程及结果 24
4.4 本章小结 26
5 全文总结与未来发展趋势 28
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
/> 参考文献 29
致谢 30
绪论
汽车保险杠设计的发展历程
保险杠是汽车车身上一种较大的外覆盖零部件，其作用是在汽车发生碰撞时保护车身及附件，轻微碰撞可以依靠保险杠自身吸收能量，降低修理成本，严重碰撞时，合理分散碰撞力量，避免车身局部变形过大，从而保护驾驶员的安全。伴随着汽车外形的发展，它的外形也发生了翻天覆地的变化。不过有趣的是保险杠和与汽车不是一起问世的，一开始的汽车上并没有保险杠这个结构。如图1 1，1886年卡尔.本茨发明的第一辆汽车就没有保险杠，因为它的最高时速仅仅16km/h，即使发生事故，也很难造成人身伤害，所以根本没有安装保险杠的必要。不过随着20世纪汽车的速度越来越快，交通事故频发，设计师也意识到安全的重要性，保险杠才逐渐成为所有汽车的标配。
/
图1 1 第一辆汽车
/
图1 2 镀铬保险杠
一开始的保险杠大部分都是镀铬的样式，如图1 2，后来在不断地演变中，有些设计师为了更好地保护车辆，还在保险杠上额外加装了防撞锥。这样的设计虽然更好地保护了车辆和驾驶员，但是对于行人来说无疑是噩梦，所以再后来又改为相对安全的缓冲装置，如图1 3。
/
图1 3缓冲装置式保险杠
到了20世纪之后，保险杠逐渐成为了笨重、不符合空气动力学的代名词。从70年代的塑料保险杠，到90年代的同色保险杠，保险杠逐渐从外观的一部分变成了防撞梁，甚至在个别车型中消失了。法拉利等跑车的保险杠也被巨大的进气口所取代，2004年的奥迪A6将保险杠直接改成了几乎完全是一个平面的前脸，如图1 4。而这些改变都是为了让车身具有更好的流线型，降低空气阻力，并且要符合国家的碰撞法规标准。
/
图1 4平面式保险杠
现在的保险杠设计不仅仅要使车身整体看起来更加美观，具有较好的空气动力学性能，还要最大化的起到保护驾驶员安全的作用。于是如何设计出更加完美的保险杠结构成了设计师们关注的重点问题。
逆向工程对车身设计的意义
早期的设计师在进行产品造型设计时，主要采用正向设计，就是先从概念设计起步到CAD建模的过程。但是在面对很多复杂结构的产品时，正向设计就暴露出了它的不足，它在设计过程中难度系数很大、周期较长、成本很高。由于设计师在产品研发时无法预测未来可能出现什么错误，一旦出现错误可能之前的研发就要推倒重来，所以正向开发的成本太高，小型企业很难接受这种损失。随着大众对于汽车的外观、性能要求越来越高，所以汽车制造商必须不断地推出新的车型来满足用户的需求。但是如果按照传统的正向设计方法进行新车的研发，那势必拉长了研发的周期，增加了研发的成本。由此，能大大缩短研发周期的逆向技术应运而生。
逆向设计过程是指设计人员对产品实物样件表面进行数字化处理，并利用可实现逆向三维造型设计的软件来重新构造实物三维模型，并进一步进行CAD/CAE/CAM的系统分析、再设计、数控编程、数控加工的过程。这样就意味着逆向技术就是可以用原有的产品为模型，对它进行改良、优化。因为有着实物为参照，并且已经经过多次试验，计算数据比电脑仿真的结果更加真实，所以开发者能更迅速的找出产品的最佳形态，无疑大大缩短了研发的周期，降低了研发的成本。因此，在目前的工业生产过程中，大多数设计公司都已经开始运用逆向技术。
逆向工程是二十世纪90年代发展起来的一种进行产品设计和制造的先进技术手段，它可以实现产品从实物原型到数字化模型的快速转换[1]。就目前来看，国内对于车身的正向设计和发达国家还有一定的差距，使用逆向技术可以加快缩小差距，并且学习国外先进的车身设计工艺，对于促进国内整个汽车设计行业的发展具有重要的意义。目前国内的几家独立汽车设计公司，比如上海龙创、长城华冠、同济同捷等都在整车研发中运用了逆向技术，对于缩短研发周期，提高车身结构的可靠性具有非常大的帮助。
目录
摘要 I
Abstract II
1 绪论 1
1.1 汽车保险杠设计的发展历程 1
1.2 逆向工程对车身设计的意义 2
1.3 有限元分析对于车身设计的意义 3
1.4 有限元分析发展的趋势 4
1.5 课题的研究目的及内容 5
2 逆向及有限元软件的介绍 6
2.1 CATIA软件简介 6
2.2 Hypermesh软件简介 7
2.3 本章小结 8
3 汽车前保险杠的逆向建模 9
3.1 汽车前保险杠外壳点云的选取 9
3.2 汽车前保险杠外壳的逆向建模 9
3.3 本章小结 15
4 汽车前保险杠外壳的有限元分析 17
4.1 汽车前保险杠有限元模型的建立 17
4.1.1 前保险杠外壳网格的划分 17
4.1.2 各部分厚度的定义 19
4.1.3 材料属性的定义 20
4.1.4 工业上各结构命名的原则 20
4.2 前保险杠外壳的模态分析 21
4.3 前保险杠外壳的强度分析 24
4.3.1 工况的定义 24
4.3.2 强度分析的过程及结果 24
4.4 本章小结 26
5 全文总结与未来发展趋势 28
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致谢 30
绪论
汽车保险杠设计的发展历程
保险杠是汽车车身上一种较大的外覆盖零部件，其作用是在汽车发生碰撞时保护车身及附件，轻微碰撞可以依靠保险杠自身吸收能量，降低修理成本，严重碰撞时，合理分散碰撞力量，避免车身局部变形过大，从而保护驾驶员的安全。伴随着汽车外形的发展，它的外形也发生了翻天覆地的变化。不过有趣的是保险杠和与汽车不是一起问世的，一开始的汽车上并没有保险杠这个结构。如图1 1，1886年卡尔.本茨发明的第一辆汽车就没有保险杠，因为它的最高时速仅仅16km/h，即使发生事故，也很难造成人身伤害，所以根本没有安装保险杠的必要。不过随着20世纪汽车的速度越来越快，交通事故频发，设计师也意识到安全的重要性，保险杠才逐渐成为所有汽车的标配。
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图1 1 第一辆汽车
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图1 2 镀铬保险杠
一开始的保险杠大部分都是镀铬的样式，如图1 2，后来在不断地演变中，有些设计师为了更好地保护车辆，还在保险杠上额外加装了防撞锥。这样的设计虽然更好地保护了车辆和驾驶员，但是对于行人来说无疑是噩梦，所以再后来又改为相对安全的缓冲装置，如图1 3。
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图1 3缓冲装置式保险杠
到了20世纪之后，保险杠逐渐成为了笨重、不符合空气动力学的代名词。从70年代的塑料保险杠，到90年代的同色保险杠，保险杠逐渐从外观的一部分变成了防撞梁，甚至在个别车型中消失了。法拉利等跑车的保险杠也被巨大的进气口所取代，2004年的奥迪A6将保险杠直接改成了几乎完全是一个平面的前脸，如图1 4。而这些改变都是为了让车身具有更好的流线型，降低空气阻力，并且要符合国家的碰撞法规标准。
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图1 4平面式保险杠
现在的保险杠设计不仅仅要使车身整体看起来更加美观，具有较好的空气动力学性能，还要最大化的起到保护驾驶员安全的作用。于是如何设计出更加完美的保险杠结构成了设计师们关注的重点问题。
逆向工程对车身设计的意义
早期的设计师在进行产品造型设计时，主要采用正向设计，就是先从概念设计起步到CAD建模的过程。但是在面对很多复杂结构的产品时，正向设计就暴露出了它的不足，它在设计过程中难度系数很大、周期较长、成本很高。由于设计师在产品研发时无法预测未来可能出现什么错误，一旦出现错误可能之前的研发就要推倒重来，所以正向开发的成本太高，小型企业很难接受这种损失。随着大众对于汽车的外观、性能要求越来越高，所以汽车制造商必须不断地推出新的车型来满足用户的需求。但是如果按照传统的正向设计方法进行新车的研发，那势必拉长了研发的周期，增加了研发的成本。由此，能大大缩短研发周期的逆向技术应运而生。
逆向设计过程是指设计人员对产品实物样件表面进行数字化处理，并利用可实现逆向三维造型设计的软件来重新构造实物三维模型，并进一步进行CAD/CAE/CAM的系统分析、再设计、数控编程、数控加工的过程。这样就意味着逆向技术就是可以用原有的产品为模型，对它进行改良、优化。因为有着实物为参照，并且已经经过多次试验，计算数据比电脑仿真的结果更加真实，所以开发者能更迅速的找出产品的最佳形态，无疑大大缩短了研发的周期，降低了研发的成本。因此，在目前的工业生产过程中，大多数设计公司都已经开始运用逆向技术。
逆向工程是二十世纪90年代发展起来的一种进行产品设计和制造的先进技术手段，它可以实现产品从实物原型到数字化模型的快速转换[1]。就目前来看，国内对于车身的正向设计和发达国家还有一定的差距，使用逆向技术可以加快缩小差距，并且学习国外先进的车身设计工艺，对于促进国内整个汽车设计行业的发展具有重要的意义。目前国内的几家独立汽车设计公司，比如上海龙创、长城华冠、同济同捷等都在整车研发中运用了逆向技术，对于缩短研发周期，提高车身结构的可靠性具有非常大的帮助。
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