蔣振宇

（偉巴斯特車頂系統(tǒng)中國有限公司研發(fā)中心，上海 201108）

結(jié)構(gòu)優(yōu)化在汽車天窗設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

蔣振宇

（偉巴斯特車頂系統(tǒng)中國有限公司研發(fā)中心，上海 201108）

從我完成的一系列天窗結(jié)構(gòu)優(yōu)化案例中，選取了兩個(gè)案例并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，這也是在國內(nèi)外首次系統(tǒng)的披露優(yōu)化技術(shù)在天窗設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，一個(gè)是利用形貌優(yōu)化技術(shù)提高天窗遮陽簾托盤剛度的案例，還有一個(gè)是利用自由形狀優(yōu)化技術(shù)降低天窗玻璃框架集中應(yīng)力的案例。優(yōu)化結(jié)果表明，CAE優(yōu)化技術(shù)能夠提高材料的利用率，改善結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，同時(shí)能夠節(jié)約大量的時(shí)間和費(fèi)用。

汽車天窗；自由形狀優(yōu)化；形貌優(yōu)化；計(jì)算機(jī)輔助工程

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)05-07-03

引言

目前汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，國內(nèi)外各大汽車和零部件廠商都在使用或關(guān)注結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，期望通過它能夠幫助企業(yè)提高產(chǎn)品的質(zhì)量、降低開發(fā)成本和縮短設(shè)計(jì)周期，從而提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。結(jié)構(gòu)優(yōu)化通常分為拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化，且所有優(yōu)化類型都可以進(jìn)行自由組合[1]。

現(xiàn)在世界上已有多個(gè)商用結(jié)構(gòu)優(yōu)化求解器，其中OptiStruct結(jié)構(gòu)優(yōu)化求解器以其成熟、全面的技術(shù)得到大家的認(rèn)可，已被廣泛應(yīng)用于許多行業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐中[2]。下面將詳細(xì)介紹偉巴斯特（Webasto）中國在去年(2016年)運(yùn)用OptiStruct進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的兩個(gè)案例。

1、遮陽簾托盤形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)

汽車頂棚有些安裝點(diǎn)需要固定在天窗遮陽簾托盤上，因此整車廠規(guī)定每個(gè)天窗遮陽簾安裝點(diǎn)的最大安裝變形應(yīng)小于1.0mm。下面將以偉巴斯特（Webasto）某款天窗遮陽簾為研究對(duì)象，介紹利用形貌優(yōu)化技術(shù)提高其剛度的案例。

1.1 遮陽簾托盤原始結(jié)構(gòu)剛度分析

遮陽簾托盤是由板金沖壓而成，因此可以采用殼單元對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，托盤的材料為DC01，彈性模量：210Gpa，泊松比：0.33，密度為7800.0Kg/M3。約束托盤與天窗連接點(diǎn)的所有自由度如圖1所示，把完成的有限元模型提交給OptiStruct進(jìn)行靜態(tài)求解，查看有限元結(jié)果，安裝點(diǎn)的最大變形量為1.82mm如圖2所示，原始結(jié)構(gòu)不能滿足整車廠的要求（＜1.0mm），因此可以利用形貌優(yōu)化技術(shù)對(duì)其加強(qiáng)筋重新布局設(shè)計(jì)，提高其剛度。

圖1 原始結(jié)構(gòu)有限元模型

圖2 原始結(jié)構(gòu)變形云圖

1.2 遮陽簾托盤形貌優(yōu)化

形貌優(yōu)化主要用于在薄壁結(jié)構(gòu)中尋找最優(yōu)的加強(qiáng)筋分布，在減輕結(jié)構(gòu)重量的同時(shí)能夠滿足強(qiáng)度、頻率等要求。形貌優(yōu)化不刪除材料，而是在可設(shè)計(jì)區(qū)域中根據(jù)節(jié)點(diǎn)擾動(dòng)生成加強(qiáng)筋。

將原有遮陽簾托盤模型中的起筋區(qū)域抹平并將它作為設(shè)計(jì)變量如圖3中紅色區(qū)域所示,考慮到設(shè)計(jì)空間的限制，加強(qiáng)筋參數(shù)與原有設(shè)計(jì)保持一致，把加載點(diǎn)位移最小作為優(yōu)化目標(biāo)，在完成其它設(shè)置后，提交給OptiStruct，經(jīng)過30步迭代計(jì)算，最終得到新的加強(qiáng)筋分布如圖 4所示，加強(qiáng)筋分布與原有設(shè)計(jì)明顯不同。

圖3 設(shè)計(jì)區(qū)域

圖4 優(yōu)化后云圖

1.3 優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

完成形貌優(yōu)化后，利用OSSmotth工具輸出優(yōu)化后的幾何模型，這個(gè)模型不可以直接用于生產(chǎn)，需要再次導(dǎo)入專業(yè)的CAD 軟件，作為參照對(duì)初始設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，得到適應(yīng)生產(chǎn)和成本要求的設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

圖5 優(yōu)化設(shè)計(jì)CAD模型

圖6 優(yōu)化設(shè)計(jì)模型分析結(jié)果

在完成對(duì)遮陽簾托盤加強(qiáng)筋修改設(shè)計(jì)后，需要再次進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果如圖6所示，對(duì)比優(yōu)化前后的變形結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)變形明顯減小到0.94mm，滿足設(shè)計(jì)要求，優(yōu)化效果顯著。

2、玻璃框架的支架自由形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)

汽車天窗和整車一樣需要經(jīng)過道路試驗(yàn)，滿足疲勞要求。為了減少試制和試驗(yàn)的次數(shù)，偉巴斯特（Webasto）根據(jù)以往道路試驗(yàn)數(shù)據(jù)定義了天窗在Z和Y方向CAE簡(jiǎn)化振動(dòng)工況。下面將以偉巴斯特（Webasto）某款天窗為研究對(duì)象，介紹利用形狀優(yōu)化技術(shù)降低天窗玻璃框架局部應(yīng)力的案例。

2.1 天窗總成疲勞分析

某天窗具體結(jié)構(gòu)如下圖7所示，經(jīng)過簡(jiǎn)化振動(dòng)CAE分析，發(fā)現(xiàn)天窗玻璃框架支架根部存在應(yīng)力集中見圖8和9。

圖7 天窗結(jié)構(gòu)

圖8 Z方向簡(jiǎn)化振動(dòng)CAE結(jié)果

圖9 Y方向簡(jiǎn)化振動(dòng)CAE結(jié)果

疲勞極限與結(jié)構(gòu)形式，載荷類型，表面處理和機(jī)械加工粗糙度等等因素相關(guān)。對(duì)于鋼材的疲勞問題，在缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下，我們可以用下面的經(jīng)驗(yàn)公式[3]來初略的評(píng)估鋼材疲勞極限：

式中：σ-1是對(duì)稱載循環(huán)疲勞極限，σs是屈服強(qiáng)度，σb是抗拉強(qiáng)度。此框架材料為DC04，其力學(xué)性能為：σs=162Mpa，σb=346Mpa，所以σ-1=137Mpa。

據(jù)上面原始結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析結(jié)果，天窗玻璃框架的支架根部存在應(yīng)力集中并遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于疲勞極限，必須對(duì)其應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行自由形狀優(yōu)化，降低其局部應(yīng)力。

此天窗在實(shí)際臺(tái)架疲勞測(cè)試過程中，也發(fā)生了疲勞斷裂破壞，破壞形式與CAE結(jié)果一致。

2.2 自由形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化是一種用于詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的技術(shù)，是將有限元模型網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到某個(gè)新的位置，相當(dāng)于改變零件的CAD設(shè)計(jì)，從而提高零件的性能，如提高剛度、模態(tài)，降低集中應(yīng)力等[4]。

根據(jù)形狀優(yōu)化的需要，必須在Hypermesh中對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，并把應(yīng)力集中的節(jié)點(diǎn)定義為可自由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，并將其作為形狀優(yōu)化變量，如圖10所示：

圖10 形狀優(yōu)化變量

2.3 形狀優(yōu)化的結(jié)果

OptiStruct能夠同時(shí)根據(jù)兩個(gè)工況（Z和Y方向的簡(jiǎn)化振動(dòng)）找到最佳形狀，經(jīng)過3輪形狀優(yōu)化分析，每個(gè)支架根部應(yīng)力都有大幅度的降低，且結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布更加趨于平緩見圖11和12，比較優(yōu)化前后各個(gè)支架的應(yīng)力結(jié)果（見表1和2），發(fā)現(xiàn)其最大應(yīng)力下降超過50%，優(yōu)化效果非常明顯，都滿足了材料強(qiáng)度要求。

圖11 Z方向簡(jiǎn)化振動(dòng)CAE結(jié)果

圖12 Y方向簡(jiǎn)化振動(dòng)CAE結(jié)果

表1 優(yōu)化前后在Z方向簡(jiǎn)化振動(dòng)CAE結(jié)果

表2 優(yōu)化前后在Y方向簡(jiǎn)化振動(dòng)CAE結(jié)果

3、結(jié)構(gòu)優(yōu)化在天窗設(shè)計(jì)中的其它研究

1）前框和后框優(yōu)化設(shè)計(jì)（拓?fù)浜统叽鐑?yōu)化）

2）擋風(fēng)條加強(qiáng)筋優(yōu)化（拓?fù)鋬?yōu)化）

3）玻璃頂出力DOE研究（形狀和尺寸優(yōu)化）

4）天窗總成零件厚度優(yōu)化（尺寸優(yōu)化）

5）密封條截面形狀優(yōu)化（拓?fù)浜托螤顑?yōu)化）

4、結(jié)論

1）本文成功的利用OptiStruct形貌優(yōu)化功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)遮陽簾托盤加強(qiáng)筋的重新布局，使遮陽簾托盤剛度提高了44.0%，分析結(jié)果表明形貌優(yōu)化技術(shù)是提高薄壁件剛度最有效的方法，為以后汽車天窗上的薄壁件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了借鑒思路。

2）另一個(gè)案例是利用OptiStruct自由形狀優(yōu)化功能快速的找到了降低零件局部應(yīng)力的方案，使框架的結(jié)構(gòu)應(yīng)力大幅度降低且幅度超過50%，而且分布變化趨于平緩，為以后解決天窗零件局部應(yīng)力集中的問題提供了解決方法。本輪優(yōu)化使用一天時(shí)間，現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)證明，如果不采用形狀優(yōu)化技術(shù)，幾個(gè)月的持續(xù)工作也沒能找到大幅度降低局部應(yīng)力的方案，由此可知，OptiStruct能夠快速的解決問題和大幅度提高工作效率。

3）上面兩個(gè)優(yōu)化案例表明，在設(shè)計(jì)過程中采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，能夠幫助工程師快速的找到最佳設(shè)計(jì)方案，避免了反復(fù)CAE分析，設(shè)計(jì)修改及試驗(yàn)工作，減少研發(fā)的投入，節(jié)約了產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間。

[1] 盧斌,方傳青.Optistruct優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例[J]．CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2010(6)：57-59.

[2] 張勝蘭,鄭冬黎,郝琪．基于HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2008.3～4.

[3] 宋子康,蔡文安.材料力學(xué)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社,1997.387～388.

[4] 熊玉力,張濤,許曉焱. 形狀優(yōu)化技術(shù)在裝載機(jī)車架結(jié)構(gòu)改進(jìn)中的應(yīng)用[J].建筑機(jī)械,2015(4)：67-69.

Structure Optimization Application in Vehicle Sunroof Design

Jiang Zhenyu
( Webasto Roof China Co., Ltd., Research Center, Shanghai 201108 )

From my finished sunroof optimization cases, two cases are selected and introduced in detail, this is also the first time to disclose optimization technical application in sunroof design in the world. One is the case to improve sunroof tray plate stiffness by topography technology. Another is the case to reduce sunroof frame bracket concentration stress by free-shape optimization technology. The two optimization cases show that the CAE optimization technology can improve the utilization of the material, promote the stiffness and strength of the structure, and save a lot of time and cost.

vehicle sunroof; free shape optimization; topography optimization; CAE

U462.1

A

1671-7988 (2017)05-07-03

蔣振宇（1977—），男，江蘇東臺(tái)人，碩士，高級(jí)工程師，就職于偉巴斯特車頂系統(tǒng)中國有限公司研發(fā)中心。研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)耐久，安全和NVH分析與優(yōu)化等。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.003