結(jié)構(gòu)優(yōu)化在汽車天窗設(shè)計中的應用

1概述
目前汽車行業(yè)競爭非常激烈，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)計周期，從而提高產(chǎn)品的競爭力。結(jié)構(gòu)優(yōu)化通常分為拓撲優(yōu)化、形貌優(yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化，且所有優(yōu)化類型都可以進行自由組合。
現(xiàn)在世界上已有多個商用結(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)得到大家的認可，已被廣泛應用于許多行業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計實踐中。下面將詳細介紹偉巴斯特（Webasto）中國在去年(2016年)運用OptiStruct進行優(yōu)化設(shè)計的兩個案例。

2遮陽簾托盤形貌優(yōu)化設(shè)計
汽車頂棚有些安裝點需要固定在天窗遮陽簾托盤上，因此整車廠規(guī)定每個天窗遮陽簾安裝點的最大安裝變形應小于1.0mm。下面將以偉巴斯特（Webasto）某款天窗遮陽簾為研究對象，介紹利用形貌優(yōu)化技術(shù)提高其剛度的案例。

2.1 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結(jié)構(gòu)進行描述，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進行靜態(tài)求解，查看有限元結(jié)果，安裝點的最大變形量為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)對其加強筋重新布局設(shè)計，提高其剛度。



2.2 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)的加強筋分布，在減輕結(jié)構(gòu)重量的同時能夠滿足強度、頻率等要求。形貌優(yōu)化不刪除材料，而是在可設(shè)計區(qū)域中根據(jù)節(jié)點擾動生成加強筋。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)計變量如圖3中紅色區(qū)域所示,考慮到設(shè)計空間的限制，加強筋參數(shù)與原有設(shè)計保持一致，把加載點位移最小作為優(yōu)化目標，在完成其它設(shè)置后，提交給OptiStruct，經(jīng)過30步迭代計算，最終得到新的加強筋分布如圖 4所示，加強筋分布與原有設(shè)計明顯不同。



2.3 優(yōu)化結(jié)果驗證
完成形貌優(yōu)化后，利用OSSmotth工具輸出優(yōu)化后的幾何模型，這個不可以直接用于生產(chǎn)，需要再次導入專業(yè)的CAD軟件，作為參照對初始設(shè)計進行修改得到適應生產(chǎn)和成本要求的設(shè)計方案如圖5所示。



在完成對遮陽簾托盤加強筋修改設(shè)計后，需要再次進行結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果如圖6所示，對比優(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)計要求，優(yōu)化效果顯著。

3玻璃框架的支架自由形狀優(yōu)化設(shè)計
汽車天窗和整車一樣需要經(jīng)過道路試驗，滿足疲勞要求。為了減少試制和試驗的次數(shù)，偉巴斯特（Webasto）根據(jù)以往道路試驗數(shù)據(jù)定義了天窗在Z和Y方向CAE簡化振動工況。下面將以偉巴斯特（Webasto）某款天窗為研究對象，介紹利用形狀優(yōu)化技術(shù)降低天窗玻璃框架局部應力的案例。

3.1 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)過簡化振動CAE分析，發(fā)現(xiàn)天窗玻璃框架支架根部存在應力集中見圖8和9。



圖7天窗結(jié)構(gòu)


疲勞極限與結(jié)構(gòu)形式，載荷類型，表面處理和機械加工粗糙度等等因素相關(guān)。對于鋼材的疲勞問題，在缺乏實驗數(shù)據(jù)的情況下，我們可以用下面的經(jīng)驗公式來初略的評估鋼材疲勞極限：



據(jù)上面原始結(jié)構(gòu)的強度分析結(jié)果，天窗玻璃框架的支架根部存在應力集中并遠遠大于疲勞極限，必須對其應力集中區(qū)域進行自由形狀優(yōu)化，降低其局部應力。
此天窗在實際臺架疲勞測試過程中，也發(fā)生了疲勞斷裂破壞，破壞形式與CAE結(jié)果一致。

3.2 自由形狀優(yōu)化
形狀優(yōu)化是一種用于詳細設(shè)計階段的技術(shù)，是將有限元模型網(wǎng)格節(jié)點移動到某個新的位置，相當于改變零件的CAD設(shè)計，從而提高零件的性能，如提高剛度、模態(tài)，降低集中力等。

根據(jù)形狀優(yōu)化的需要，必須在Hypermesh中對應力集中區(qū)域進行網(wǎng)格細化，并把應力集中的節(jié)點定義為可自由移動節(jié)點，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

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



4結(jié)構(gòu)優(yōu)化在天窗設(shè)計中的其它研究

1：前框和后框優(yōu)化設(shè)計（拓撲和尺寸優(yōu)化）
2：擋風條加強筋優(yōu)化（拓撲優(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（拓撲和形狀優(yōu)化）

5結(jié)論
1：本文成功的利用OptiStruct形貌優(yōu)化功能實現(xiàn)了對遮陽簾托盤加強筋的重新布局，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)計提供了借鑒思路。
2：另一個案例是利用OptiStruct自由形狀優(yōu)化功能快速的找到了降低零件局部應力的方法，使框架的結(jié)構(gòu)應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力集中的問題提供了解決方法。本輪優(yōu)化使用一天時間，現(xiàn)有的經(jīng)驗已經(jīng)證明，如果不采用形狀優(yōu)化技術(shù)，幾個月的持續(xù)工作也沒能找到大幅度降低局部應力的方案，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：上面兩個優(yōu)化案例表明，在設(shè)計過程中采用結(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)計方案，避免了反復CAE分析，設(shè)計修改及試驗工作，減少研發(fā)的投入，節(jié)約了產(chǎn)品的開發(fā)時間。