服务热线：400-7166-558增材制造作为一种新型的材料加工技术，具有制造周期短、材料利用率高和可制备结构复杂零件等优势，可以为定制形状复杂的产品开辟新途径，目前该技术在装备、材料、工艺、标准等方面都呈现迅猛发展之势，展示出了极大的应用前景。本研究基于美国相关技术标准，报道了增材制造聚合物减震器在车辆制造上的应用前景。2022年11月22日，这项研究以“Additive manufactured polymeric shock absorbers for automotive applications”为题，发表在Cell Press细胞出版社期刊Heliyon上。
本文论述了车辆减振器的使用。它放置在车辆的上车顶，能够在碰撞事件中提高乘客的安全性。本文引入了数值冲击分析，通过评估车辆不同结构部件的变形、应力和能量耗散能力来证明这些减振器的有效性。减振器已被发现在乘客安全方面发挥着重要作用。参考法规的同源限制已被考虑在内：FMVSS No. 201U“internal head impact – passenger compartment”。该法规提供了一个基本参数，称为HIC（d）——“头部损伤标准（Head Injury Criteria）”，它与乘客头部在撞击条件下以及车辆内部刚性部件的损伤严格相关。如果超过HIC（d）阈值，将影响车辆的最终一致性测试。因此，需要采用减振器以保证HIC（d）的可靠值范围。本文评估了通过增材制造技术生产此类设备从而提高减振器效率的可能性。
本研究的重点是冲击分析，特别是汽车应用的“内部头部冲击”分析。本文根据美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）组织标准进行研究。根据防撞要求，车辆认证的一个重要步骤是通过引入特定的主动和被动安全装置来保证乘客的安全性。主动安全系统在撞击事件发生前启动，以避免灾难性后果，包括自动紧急制动、后方交叉交通警报、前方碰撞预警。其他主动安全装置还包括制动器、车灯、方向盘、电子设备，如ABS操作制动系统，以防止车轮锁定和ESP。
被动安全系统旨在减少撞击造成的损害，它包括安全气囊、安全带和头枕等部件。所有部件都可吸收冲击变形能量，以避免对乘客舱造成相关损害。美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）是美国交通部的一个部门，其职责是调查机动车辆的安全缺陷，制定和执行燃油经济性标准，帮助各州和地方社区减少事故，推广安全带、儿童安全座椅和安全气囊的使用，对驾驶员行为和交通安全进行研究，并提供机动车辆安全主题的C端信息。测试程序由NHTSA车辆安全合规办公室（OVSC）提供。
本研究在初步设计阶段对聚合物减振器的使用进行了数值研究，该聚合物减振器设计用于增材制造，与传统制造的减振器相比，它可以提高特定的能量吸收特性，并降低主要关键车辆部件中的力峰值，从而降低内部头部冲击。此外，根据环境保障立法的约束条件，使用调幅聚合物部件比传统金属部件轻，这在重量和减排方面具有积极的效果。后续实验活动将侧重于根据最佳设计配置测试使用调幅技术生产的原型。
第二节介绍了冲击测试程序和安全要求。第三节介绍了本研究框架中用于评估新型聚合物减振器的数值程序。最后在第四节中，介绍并讨论了有无增材制造的聚合物减振器的虚拟仿真结果，以及减振器设计优化分析的结果。
本研究利用合同官员代表（COR）提供的制造商数据，确定座椅参考点（SgRP）的坐标，从而定位座椅参考点。根据具体位置确定测试车辆驾驶员和乘客两侧前排座椅位置（CG-F1）、后排座椅位置（CG-F2）和后排座椅位置（CG-R）的头部坐标。
每一个点都是通过特定的程序确定的，包括许多平面与车辆正交交叉点获得的线的交叉点，下图是对前额撞击区的介绍。
假人用于评估碰撞事件中乘员的伤害，并作为行人安全的撞击者。根据评估，本研究可以在不需要使用整个假人的情况下进行测试。自由运动头部形式（FMH）是一种混合三型假人头部，用于评估由于车辆内部撞击造成的乘员安全。FMH从车辆内部发射，使其前额撞击选定的目标部件（例如，支柱、侧轨或头部）；集成加速度计用于监控撞击过程中的头部响应。这些测量用于计算HIC损伤标准。如下图所示，该装置顶部安装有垂直激光，向上突出，而前额按照FMVSS 201的要求刻有目标图案。数字量角器安装在铝梁的下侧，气泡水平仪用于交叉轴角度归零。
撞击器能够以23.7±0.3km/h或18.7±0.3km/h的指定撞击速度推动FMH，同时在整个发射过程中提供FMH的中矢状平面垂直和直立，直到自由飞行的瞬间。FMH撞击器配备了一个紧凑的发射器，能够以位于试验飞行器乘员空间内的任何指定目标和接近角度推动它。其推进系统能够产生高度精确和可重复的FMH撞击。符合性测试执行是根据车辆规格编辑的；为了测量其姿态，车辆被定位在平坦水平的表面上，同时，为了便于FMH冲击器的定位和放置，座椅、窗户和其他部件被移除。
在本工作的框架中，为了简洁起见，只考虑了虚拟仿真。因此，研究了最关键的场景来测试减振器的性能，以及随后的最优化过程。值得注意的是，考虑来自不同（不太关键）方向的冲击会影响最优化过程的结果；然而，就降低加速度峰值和增加能量吸收特性而言，最重要和最全面的配置是考虑最关键冲击条件得到的配置，这是本工作中研究的配置。
通过数值计算机辅助设计和有限元活动，对所提出的增材制造的聚合物减振器的行为进行了识别、验证和最优化。
为了降低计算成本，第一次模拟只对真正影响正在调查的撞击现象的部件进行。已经对整个车辆模型进行了阶数初步分析，以便通过只选择报告撞击过程中应力或变形的部件来正确选择简化模型。结束时间的规格、要求输出包括但不限于：全局数据、材料能量、节点和刚体数据以及合成界面力。汽车模型和自由运动头型模型之间的接触（例如平移和旋转角度），初始FMH冲击速度的信息等已经在输入中提供。
在这项研究中考虑的聚合物减振器是增材制造的，材料系统是为3D熔融沉积建模（FDM）打印机Roboze ARGO 500 FDM开发的。“机器人聚丙烯”是一种聚合物，由于其优异的耐化学性、轻度和抗冲击性，在几个工业部门用于生产C端产品。表1介绍了材料的力学特征。聚丙烯减振器配置已经完成。减振器的数值冲击模拟已经完成，在优化分析的框架内，提供最佳的物理配置和最佳的厚度组合，以获得最佳的HIC（d）。
为了减少计算工作量，使用了简化的有限元模型。事实上，大多数车辆部件已经被验证不会因为碰撞事件而经历任何应力或变形。因此，这些部件被删除，代之以约束条件和刚体，特别地，刚体被用来代替零件之间的连接。
2.聚合物减振器虚拟内部冲击仿线mm均匀厚度的聚合物减振器。用Roboze聚丙烯制成的减振器已经在Altair Hypermesh环境中啮合。网格尺寸对于冲击测试分析至关重要；它应该是计算工作量（需要更大的元素）和良好结果（需要更小的元素）之间的良好折衷。为此，使用的元素是外壳混合元素，尺寸为4毫米，总共878个元素。
最优化集中在减振器的几何形状上。上一节介绍的减振器证明了其将HIC参数降低到规定极限以下的能力；因此，减振器的配置，包括其全局尺寸（即减振器的高度、长度、半径）在此认定为固定值无需优化。然而，通过在关键位置采用不同厚度的减振器，可以进一步提高降低HIC参数和加速度峰值的性能，且很容易地通过增材制造部件，无需成型。因此，这两个减振器被分成几个部分，且根据可制造性考虑其高度。在第三轮冲击模拟的框架中，通过LS-OPT工具优化了每个截面的厚度。不同截面厚度的变化范围从1mm到2mm。
在定义模拟中使用的几何配置时，采样选项卡中使用了具有空间填充点选择和83个模拟点的径向基函数网络“RBF”。最优化的结果分为四个部分，但本文只使用了两个部分：模拟和元模型。模拟部分描述了实验模拟的结果。下图中给出了相关矩阵。该矩阵在右上角显示了响应如何受到参数的影响。特别是，红色表示直接依赖，而蓝色表示反向依赖。
本研究分析了汽车上车顶的“内部头部冲击”。对使用减振器重新设计上车顶进行了研究，以降低HIC（d）“头部损伤标准”。分析了三种主要配置：无减振器配置、具有恒定厚度减振器的配置和具有优化减振器的配置，并对减振器进行了优化分析。结果表明通过区分和适当优化减振器部分的厚度，可以大大降低HIC（d）值。为提出的减振器选择了一种3D FDM打印机的聚丙烯材料系统。增材制造被认为是降低成本、为特定车辆区域制造不同形状的减振器和降低车辆重量的最佳制造选择。本文证明了这种增材制造的减振器在未来实验阶段用于汽车应用的可行性。
论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Heliyon上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文
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