随着新型汽车和新能源汽车的发展，人们对汽车的舒适性和安全性要求逐步提高，同时为了降低汽车能源消耗，有必要在汽车零件开发过程中实现复杂结构零部件的轻量化结构设计。近年，德国奥芬堡应用科学大学的科研人员研究了使用衍生式设计和纤维增强增材制造技术对汽车零部件进行轻量化设计制造，相关研究成果在“第32届CIRP设计大会”上被报道。
原文链接：/science/article/pii/S221282712722
近年来，增材制造技术（AM）发展迅速，新工艺和新材料不断涌入汽车航行业及新兴市场，越来越多的成功案例克服了以前有限的材料选择和材料性能低等。这种新发展的一个例子是材料熔接层制造(FLM)，FLM工艺的优点是简单且便宜。此外，与昂贵的金属粉末相比，塑料丝的材料成本要低得多。然而，使用这种工艺制备的零部件具有强度低等缺点，可以添加短纤维来克服这些问题，通过添加长纤维可以实现更高的强度增加。衍生式设计可用于开发根据特定标准（例如，轻量化、强度、韧性）优化设计的组件。这项研究主要聚焦汽车行业中衍生式设计与纤维增强增材制造相结合的实际案例。
应用实例为赛车后轴上的A型摆臂，A型摆臂需要连接到后轴的控制臂上，它与控制臂一起提供了轮架的垂直导向，从而产生来自轮架的拉力和压缩力。图1中粉红色区域代表衍生式设计的第一步，是开发的A型摆臂最大可能设计空间。由于A型摆臂为轴对称构件，设计空间只使用A型摆臂的一半。选择控制臂和轮毂载体的连接点作为保留的特征，指定荷载工况下的设计空间如图2所示，这个工况下会出现两种负载情况，分别是受到4800N的拉力和4800N的压缩力。由于A型摆臂是由两个销子连接到控制臂上，力在这些方向会发生作用，除力外还应考虑安全系数。
通过迭代优化A型摆臂的结构，采用收敛建模的方法进行精细化设计，如用折叠面的方法对边缘进行平滑处理、对某些地方进行轻微加固。图3为应力视图和内部2D视图的初步设计，为达到低重量高性能组件的制备，设计的零部件呈细丝状结构(图3a)。最大应力为52.29MPa，出现在控制臂的两个引脚附近。另外在红色区域的中间支柱边缘(图3b)，只有少量的纤维可以连续地铺设在支柱中。由于在支柱中出现高应力，因此在重新设计时对支柱进行加固，以便能够嵌入更多连续的增强纤维。最终的几何形状如图4所示，共有2.42立方厘米的连续增强纤维嵌入在A型摆臂的几何结构中。
拉伸试验在静态试验机上进行，图5是A型摆臂拉伸试验的夹具。由于设计的夹具导致A型摆臂只能承受一个销的拉应力。根据所进行的拉伸试验，最终最大拉伸力Fmax=4110N，延伸率dL=1.6mm，该力高于计算的FZ=2853N，安全系数为S=1.44（图6）。这项研究可以明显表明通过衍生式设计可以优化汽车组件结构（图7）。
图1 带轮托的A型摆臂空间设计
图2 荷载案例1(左)和荷载案例2(右)的设计空间。
图3 A型摆臂几何结构初步设计：（a）有限元分析应力图；（b）内部2D视图
图4 A型摆臂的最终几何形状：（a）增强后的重新设计实体视图；（b）纤维改进的零件内部2D视图
图5 A型摆臂拉伸试验用夹具:a)带夹具的A型摆臂，b)测试装置中夹紧的夹具。
图6 最终几何形状的零件力学性能
图7A型摆臂的原件和结构优化后的零件
总之这项研究与传统制造工艺相比，衍生式设计和增材制造的相互结合可以显著降低零部件的成本和重量。在衍生式设计中，纤维添加的方向以及纤维的数量对力学性能具有巨大影响，可以制备出承受高力的汽车组件。在拉力试验机上测试组件时，只能证明安全系数为1.44。因此需要进一步提高构件中的纤维含量以提升力学性能。然而也有迹象表明，衍生式设计软件中对长纤维的考虑目前还没有充分实现，弥补这一缺陷对于后续的研究工作具有相当重要的意义。
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