文丨胖仔研究社

编辑丨胖仔研究社

前言

增材制造技术是一种通过3D打印来制造复杂形状结构的方法，其主要特点是：在制造过程中可以任意添加材料，可以在很短的时间内制造出高复杂度的结构，具有很强的可塑性和灵活性，从而使其能够满足不同的应用需求。

因此，增材制造技术在航空航天领域得到了广泛应用，在汽车工业中也有广泛应用。汽车工业中所用的汽车减振器、车身缓冲装置、安全气囊等都是采用增材制造技术来实现。

汽车减振器和车身缓冲装置是汽车上常用的两种缓冲装置，其作用是吸收冲击能量。对这两种缓冲装置进行性能分析可以更好地理解汽车减振器和车身缓冲装置的工作原理。

缓冲材料的重要作用

缓冲材料的作用主要是吸收能量，将冲击力转化为热能，减少冲击力对车体的作用时间和作用范围。缓冲材料可以分为天然材料和人工合成材料。天然材料如植物纤维、天然橡胶等；人工合成材料如泡沫、聚乙烯、聚氨酯等。

在汽车减振器中，缓冲材料可以吸收从车体传递到减振器上的冲击能量。一般来说，缓冲材料的质量越大，吸收冲击能量的能力越强，而缓冲性能主要取决于其吸收能量的能力。

汽车减振器在汽车行驶过程中会受到较大的振动冲击，而缓冲材料的密度较小，可以吸收很大一部分振动冲击能量，从而起到减振缓冲的作用。

当车辆减速时，冲击力会迅速传递到地面上。这时，如果没有缓冲材料，就会引起汽车车体的强烈振动，导致车辆出现各种故障。因此，汽车减振器中需要使用缓冲材料来吸收冲击能量，减少车体振动对汽车减振器的影响。

根据缓冲器的工作原理和不同类型缓冲器对冲击能量吸收的能力不同，可以将其分为两大类：一类是基于物体接触理论建立起来的碰撞力与碰撞时间之间关系曲线；另一类是基于弹性力学理论建立起来的碰撞力与冲击时间之间关系曲线。

一般来说，碰撞力与冲击时间之间存在明显的非线性关系。

实验方法及步骤

通过实验，比较了三种不同结构的汽车减振器的缓冲性能，研究了三种不同结构的车身缓冲装置的缓冲性能。

三种不同结构的汽车减振器分别为圆柱型、方柱型和圆锥形，其中圆柱型减振器是由两个圆锥构成，方柱型和圆锥型减振器均是由两个圆柱组成，圆锥形减振器是由一个圆柱和一个圆锥组成，实验所用的减振器均为传统汽车减振器。

为了验证上述三种不同结构汽车减振器的缓冲性能，分别在相同条件下对三种不同结构汽车减振器的缓冲性能进行了实验，具体步骤如下：

1、选取三种不同结构的汽车减振器，并按照标准设计要求加工制造成原型样件。

2、选择合适的实验设备（如激光测距仪等）进行相应的试验，测量其安装位置处的坐标和位移，并记录测量结果。

3、根据测试结果，将三种不同结构的汽车减振器和相应结构汽车车身缓冲装置分别按照国家标准进行尺寸测量。

4、选取三种不同结构汽车减振器和相应结构汽车车身缓冲装置进行准静态压缩试验，将三种不同结构汽车减振器和相应结构汽车车身缓冲装置分别安装到三种不同尺寸的试验台上，按照标准试验要求进行相应的压缩试验。

5、将实验所获得的数据绘制成曲线图。

6、根据上述曲线图进行对比分析，可以得出结论：三种不同结构的汽车减振器和相应结构汽车车身缓冲装置都具有很好的缓冲性能，其中圆柱型与圆锥型减振单元均具有很好的缓冲性能。

结果和分析

在缓冲过程中，缓冲结构受到了来自外部的载荷。为更好地理解结构的力学特性，将缓冲装置的不同部分分别施加不同的载荷，并对结果进行比较。

当施加较小的载荷时，缓冲装置由弹性变形和塑性变形组成。因此，在一定范围内，增加载荷可以提高缓冲装置的强度。利用LS-DYNA软件对汽车减振器和车身缓冲器进行建模分析。通过调整缓冲器的阻尼系数和刚度系数来调节缓冲效果。分析结果表明：

（1）两种缓冲装置都有很好的吸能性能。

（2）在相同条件下，与其他缓冲装置相比，两种缓冲器都能吸收更多的冲击能量。

（3）两种缓冲器都有很好的隔振效果，这与其内部结构有关。

（4）两种缓冲装置都能有效地吸收冲击能量。当汽车发生碰撞时，其缓冲器内部会产生较大的应力波，该应力波会导致其内部结构发生变形并将其内部结构中所吸收的能量转化为热能。因此，如果将缓冲器与外部环境隔离开来，就会消耗更多的能量。

结论和展望

增材制造技术在汽车工业中的应用还处于起步阶段，其在汽车工业中的应用前景还有待进一步研究。对于汽车减振器和车身缓冲装置来说，仿生学是一个很好的选择。

利用生物材料的力学特性可以设计出性能优越的汽车减振器和车身缓冲装置。虽然目前国内外对汽车减振器和车身缓冲装置仿生结构的研究还不够深入，但这并不影响仿生结构在汽车工业中的应用。

但是，仿生结构在设计时还存在一些问题。例如，许多生物材料的本构模型与其实际工作情况有一定差异，因此建立的本构模型应根据实际情况进行适当修正。

目前，由于仿生结构大多采用金属材料，因此其与金属材料之间的摩擦问题需要进一步研究。此外，由于金属材料的可拉伸性和高强度，其在压缩过程中会产生较大变形，这对仿生结构设计带来了一定困难。

增材制造技术为生物材料制备提供了一种新方法。与传统加工方法相比，增材制造技术可以实现复杂形状结构的快速制造。这种方法具有很大的优势，尤其是在生物材料制备方面具有一定优势。例如，利用增材制造技术制备出了具有一定力学性能的仿生结构。

目前，增材制造技术在汽车工业中得到了广泛应用。汽车减振器和车身缓冲装置是汽车工业中常见的缓冲装置，其在吸收冲击能量方面具有很好的效果。

通过对这两种缓冲装置进行动力学仿真分析可以更好地理解它们的工作原理和性能特点。未来研究工作中应进一步提高仿真计算效率和精度，并探索更多结构和材料组合方式，以进一步提高其在汽车工业中应用的性能。

提高仿真计算效率和精度：缓冲装置的缓冲性能取决于其自身的结构特性和材料属性，因此在进行缓冲装置动力学仿真时应考虑材料属性和结构特征。

目前，对汽车减振器和车身缓冲装置进行仿真分析的软件较多，但是不同软件的功能和计算结果有很大差异。因此，未来研究工作中应进一步提高仿真计算效率和精度。

对于汽车减振器而言，应考虑其结构形式、材料属性和阻尼特性对其缓冲性能的影响。此外，目前对汽车减振器的仿真分析大多基于单一材料模型，未来工作中应探索多种材料组合方式来提高其缓冲性能。

探索新型结构设计：随着科技的进步，人们对仿生学的研究越来越深入，可以通过更多的研究手段来实现仿生结构的设计。未来可以考虑通过多种方式进行仿生结构设计，如对不同材料的组合和优化、对不同结构的组合和优化等。

此外，还可以探索一些新型材料。例如，在材料制备过程中加入纤维增强树脂等，以提高其力学性能。未来，在结构设计过程中应根据实际情况进行合理的力学性能评估和分析。另外，在结构设计中还可以考虑其他因素的影响。

例如，不同材料之间的摩擦系数对仿生结构的影响、不同形状仿生结构之间的相互作用的相互影响等都是需要进一步探索的问题。

将不同材料组合应用于汽车减振器和车身缓冲装置：作为一种常见的汽车减振器，橡胶和金属材料在汽车减振器中得到了广泛应用。然而，由于橡胶材料的不可压缩性和高强度，其在减振器中的应用受到了限制。

为了解决这个问题，国内外学者开展了一系列工作。首先，国内学者对橡胶和金属材料进行了大量研究，并提出了多种改进方案。例如，李伟等人利用橡胶与金属组合的方式设计出了一种具有较好力学性能的汽车减振器。

该减振器不仅具有良好的减振效果，而且其质量减轻了40%。此外，杜晓杰等人利用金属材料设计出一种新型缓冲装置，并研究了该缓冲装置的力学性能。此外，还可以考虑将不同材料组合起来设计缓冲装置。

例如，基于金属和橡胶材料的组合设计可以提高其力学性能和能量吸收效果。刘天军等人基于橡胶材料设计了一种新型减振器结构。在该结构中，橡胶材料采用单胞结构，而金属材料则采用波纹结构。

该结构具有良好的力学性能和能量吸收效果。虽然该减振器不能完全满足汽车减振器的使用要求，但其在汽车工业中的应用具有广阔前景。

笔者观点

本文使用有限元方法对汽车减振器和车身缓冲装置的力学特性进行了仿真分析，得到了与实验数据相吻合的结论。研究发现，汽车减振器和车身缓冲装置具有很好的缓冲性能，特别是对冲击能量的吸收。

在使用汽车减振器和车身缓冲装置时，应注意使用方法，避免因方法不当而影响缓冲性能。由于汽车减振器和车身缓冲装置的工作原理不同，在实际使用时要根据实际情况选择合适的方法。

从仿生学角度来看，动物能够在短时间内吸收大量能量并迅速停止冲击。为了在使用汽车减振器和车身缓冲装置时避免影响其缓冲性能，应根据具体情况选择合适的方法来降低冲击能量并使其快速停止。

参考文献

1、黄亚华，蔡立民，高飞。基于生物力学的汽车减振器设计方法研究[J]。中国机械工程，2017。

2、陈敏，胡继强。汽车缓冲装置的工作原理及性能研究[J]。汽车工业技术，2017。

3、徐小民，陈洁。汽车缓冲器的设计与应用[J]。公路运输技术，2017。

4、郑金才，张健，杨波。汽车缓冲装置的结构与工作原理研究。汽车工程学报，2019。

5、宋伟。汽车碰撞中的缓冲装置设计与研究[J]。工业技术经济，2018。