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原文传递聚双环戊二烯汽车发动机罩轻量化设计

论文题名：	聚双环戊二烯汽车发动机罩轻量化设计
关键词：	汽车发动机罩;聚双环戊二烯;拓扑优化;形貌优化;多目标优化;有限元模型
摘要：	在汽车轻量化设计中，主要分为结构轻量化、材料轻量化、工艺轻量化。聚双环戊二烯（PDCPD）作为一种密度低、性能优异、成型要求低、环境友好的绿色新型轻量化材料，可以很好的满足轻量化设计需求。然而目前仅有少数商用车在内有骨架的蒙皮处使用PDCPD，其在性能要求更高的乘用车覆盖件上的应用研究却鲜有涉及。因此，本文以某乘用车发动机罩为研究对象，首先建立钢制发动机罩有限元模型并进行力学性能分析作为参照，随后建立了PDCPD发动机罩有限元模型并进行拓扑优化、形貌优化和多目标优化等轻量化设计过程，最后校核PDCPD发动机罩的安全性能，具体研究内容如下：　　首先，根据国家相关试验标准，使用雕刻机制备PDCPD标准试样，进行拉伸、弯曲、冲击和硬度测试试验，得到PDCPD的拉伸强度、弹性模量、弯曲强度、冲击韧性和硬度等力学性能参数，并进行拉伸、弯曲的仿真试验以验证材料模型的有效性，以试验获得的数据为基础进行后续仿真分析。　　随后，建立初始钢制发动机罩有限元模型并选用锁闩工况、正弯工况、侧弯工况、扭转工况、前三阶固有频率评价其整体强度、刚度，将分析结果作为PDCPD发动机罩轻量化设计的参考。以钢制发动机罩为基础，根据材料替换的等强度、等刚度理论，发挥PDCPD材料成型优势，将内板设计为分区域变厚度结构，结合力学性能分析结果确定PDCPD发动机罩初始结构。通过多目标拓扑优化改进发动机罩内板结构，结果显示优化后的发动机罩各项力学性能有所提升，减重效果明显。然后对发动机罩内板进行形貌优化，结果显示各项力学性能有显著提升。为进一步实现轻量化，以外板、内板各区域、铰链的厚度为影响因子，以刚度、前三阶固有频率、质量为响应，设计灵敏度试验，综合考虑影响因子对响应的贡献度和主效应筛选多目标优化变量。基于灵敏度分析构建所筛选的变量与响应的响应面近似模型，使用NSGA-Ⅱ算法进行多目标优化设计。结果表明，与初始钢制发动机罩相比，优化后的PDCPD发动机罩较，在各工况下的刚度值均有提升，前二阶固有频率虽然有所降低但仍满足避开共振区间的要求，整体质量减轻7.94%，实现了轻量化设计目标。　　最后，建立头型冲击器并进行标定以验证模型有效性，根据国家相关标准划分发动机罩头型碰撞试验区域并进行行人头部保护的安全性能分析。依据发动机舱内部零件分布，选取8个关键点作为头型碰撞试验点。结果显示除后端铰链对应位置外，各试验点HIC值均小于1000，两个后端铰链对应位置试验点，HIC值虽然大于1000但小于1700。因此，PDCPD发动机罩行人头部保护的安全性能可靠。　　综上，在车身结构轻量化设计过程中，将PDCPD应用于汽车发动机罩，可以满足使用时的力学性能要求和行人头部保护要求，且可以减少生产工序，降低生产成本；同时也为PDCPD应用于其他车身覆盖件提供借鉴。
作者：	徐浩
专业：	机械工程(车身工程)
导师：	陈鑫
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022