結構優化在汽車天窗設計中的應用

蔣振宇

（偉巴斯特車頂系統中國有限公司研發中心，上海 201108）

結構優化在汽車天窗設計中的應用

蔣振宇

（偉巴斯特車頂系統中國有限公司研發中心，上海 201108）

從我完成的一系列天窗結構優化案例中，選取了兩個案例并對其進行了詳細的介紹，這也是在國內外首次系統的披露優化技術在天窗設計中的應用，一個是利用形貌優化技術提高天窗遮陽簾托盤剛度的案例，還有一個是利用自由形狀優化技術降低天窗玻璃框架集中應力的案例。優化結果表明，CAE優化技術能夠提高材料的利用率，改善結構的剛度和強度，同時能夠節約大量的時間和費用。

汽車天窗；自由形狀優化；形貌優化；計算機輔助工程

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

引言

目前汽車行業競爭非常激烈，國內外各大汽車和零部件廠商都在使用或關注結構優化技術，期望通過它能夠幫助企業提高產品的質量、降低開發成本和縮短設計周期，從而提高產品的競爭力。結構優化通常分為拓撲優化、形貌優化、形狀優化和尺寸優化，且所有優化類型都可以進行自由組合[1]。

現在世界上已有多個商用結構優化求解器，其中OptiStruct結構優化求解器以其成熟、全面的技術得到大家的認可，已被廣泛應用于許多行業的產品設計實踐中[2]。下面將詳細介紹偉巴斯特（Webasto）中國在去年(2016年)運用OptiStruct進行優化設計的兩個案例。

1、遮陽簾托盤形貌優化設計

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，介紹利用形貌優化技術提高其剛度的案例。

1.1 遮陽簾托盤原始結構剛度分析

遮陽簾托盤是由板金沖壓而成，因此可以采用殼單元對結構進行描述，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進行靜態求解，查看有限元結果，安裝點的最大變形量為1.82mm如圖2所示，原始結構不能滿足整車廠的要求（＜1.0mm），因此可以利用形貌優化技術對其加強筋重新布局設計，提高其剛度。

圖1 原始結構有限元模型

圖2 原始結構變形云圖

1.2 遮陽簾托盤形貌優化

形貌優化主要用于在薄壁結構中尋找最優的加強筋分布，在減輕結構重量的同時能夠滿足強度、頻率等要求。形貌優化不刪除材料，而是在可設計區域中根據節點擾動生成加強筋。

將原有遮陽簾托盤模型中的起筋區域抹平并將它作為設計變量如圖3中紅色區域所示,考慮到設計空間的限制，加強筋參數與原有設計保持一致，把加載點位移最小作為優化目標，在完成其它設置后，提交給OptiStruct，經過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計明顯不同。

圖3 設計區域

圖4 優化后云圖

1.3 優化結果驗證

完成形貌優化后，利用OSSmotth工具輸出優化后的幾何模型，這個模型不可以直接用于生產，需要再次導入專業的CAD 軟件，作為參照對初始設計進行修改，得到適應生產和成本要求的設計方案如圖5所示。

圖5 優化設計CAD模型

圖6 優化設計模型分析結果

在完成對遮陽簾托盤加強筋修改設計后，需要再次進行結構分析，結果如圖6所示，對比優化前后的變形結果可以發現優化后的結構變形明顯減小到0.94mm，滿足設計要求，優化效果顯著。

2、玻璃框架的支架自由形狀優化設計

汽車天窗和整車一樣需要經過道路試驗，滿足疲勞要求。為了減少試制和試驗的次數，偉巴斯特（Webasto）根據以往道路試驗數據定義了天窗在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，介紹利用形狀優化技術降低天窗玻璃框架局部應力的案例。

2.1 天窗總成疲勞分析

某天窗具體結構如下圖7所示，經過簡化振動CAE分析，發現天窗玻璃框架支架根部存在應力集中見圖8和9。

圖7 天窗結構

圖8 Z方向簡化振動CAE結果

圖9 Y方向簡化振動CAE結果

疲勞極限與結構形式，載荷類型，表面處理和機械加工粗糙度等等因素相關。對于鋼材的疲勞問題，在缺乏實驗數據的情況下，我們可以用下面的經驗公式[3]來初略的評估鋼材疲勞極限：

式中：σ-1是對稱載循環疲勞極限，σs是屈服強度，σb是抗拉強度。此框架材料為DC04，其力學性能為：σs=162Mpa，σb=346Mpa，所以σ-1=137Mpa。

據上面原始結構的強度分析結果，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域進行自由形狀優化，降低其局部應力。

此天窗在實際臺架疲勞測試過程中，也發生了疲勞斷裂破壞，破壞形式與CAE結果一致。

2.2 自由形狀優化

形狀優化是一種用于詳細設計階段的技術，是將有限元模型網格節點移動到某個新的位置，相當于改變零件的CAD設計，從而提高零件的性能，如提高剛度、模態，降低集中應力等[4]。

根據形狀優化的需要，必須在Hypermesh中對應力集中區域進行網格細化，并把應力集中的節點定義為可自由移動節點，并將其作為形狀優化變量，如圖10所示：

圖10 形狀優化變量

2.3 形狀優化的結果

OptiStruct能夠同時根據兩個工況（Z和Y方向的簡化振動）找到最佳形狀，經過3輪形狀優化分析，每個支架根部應力都有大幅度的降低，且結構應力分布更加趨于平緩見圖11和12，比較優化前后各個支架的應力結果（見表1和2），發現其最大應力下降超過50%，優化效果非常明顯，都滿足了材料強度要求。

圖11 Z方向簡化振動CAE結果

圖12 Y方向簡化振動CAE結果

表1 優化前后在Z方向簡化振動CAE結果

表2 優化前后在Y方向簡化振動CAE結果

3、結構優化在天窗設計中的其它研究

1）前框和后框優化設計（拓撲和尺寸優化）

2）擋風條加強筋優化（拓撲優化）

3）玻璃頂出力DOE研究（形狀和尺寸優化）

4）天窗總成零件厚度優化（尺寸優化）

5）密封條截面形狀優化（拓撲和形狀優化）

4、結論

1）本文成功的利用OptiStruct形貌優化功能實現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%，分析結果表明形貌優化技術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構優化設計提供了借鑒思路。

2）另一個案例是利用OptiStruct自由形狀優化功能快速的找到了降低零件局部應力的方案，使框架的結構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。本輪優化使用一天時間，現有的經驗已經證明，如果不采用形狀優化技術，幾個月的持續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）上面兩個優化案例表明，在設計過程中采用結構優化的方法，能夠幫助工程師快速的找到最佳設計方案，避免了反復CAE分析，設計修改及試驗工作，減少研發的投入，節約了產品的開發時間。

[1] 盧斌,方傳青.Optistruct優化結構設計實例[J]．CAD/CAM與制造業信息化,2010(6)：57-59.

[2] 張勝蘭,鄭冬黎,郝琪．基于HyperWorks的結構優化設計技術[M].北京：機械工業出版社.2008.3～4.

[3] 宋子康,蔡文安.材料力學[M].上海：同濟大學出版社,1997.387～388.

[4] 熊玉力,張濤,許曉焱. 形狀優化技術在裝載機車架結構改進中的應用[J].建筑機械,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，江蘇東臺人，碩士，高級工程師，就職于偉巴斯特車頂系統中國有限公司研發中心。研究方向為結構耐久，安全和NVH分析與優化等。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.05.003