基于ANSYS的太陽能天窗的優(yōu)化設(shè)計

王小美 李健

摘 要：將汽車天窗設(shè)計成太陽能天窗，不僅可以為車載蓄電池充電，而且為汽車輕量化設(shè)計提供一個新的方向。本文分析了汽車太陽能天窗的結(jié)構(gòu)，使用ANSYS軟件對太陽能天窗的橫梁，進(jìn)行了靜態(tài)強度分析與校核，并擬定了改進(jìn)方案。對主要設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化與改進(jìn)，最終實現(xiàn)橫梁部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化。

關(guān)鍵詞：太陽能天窗 強度校核 ANSYS 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1 引言

隨著人們環(huán)保意識的不斷增強和新能源在各行各業(yè)里的逐步應(yīng)用[1]。汽車太陽能天窗技術(shù)已經(jīng)被部分企業(yè)所采用，汽車的節(jié)能技術(shù)一直是其研究重點，將天窗設(shè)計為太陽能式天窗，可以增加汽車儲存電能的功能，應(yīng)用前景廣泛[2]。

本文對太陽能天窗的關(guān)鍵零部件進(jìn)行了設(shè)計，并對其進(jìn)行了實體模型裝配。使用ANSYS軟件對轎車天窗橫梁，進(jìn)行了靜態(tài)強度分析校核，同時對其主要設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化與改進(jìn)，最終實現(xiàn)橫梁部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化。

2 天窗驅(qū)動機構(gòu)的組成

汽車太陽能天窗驅(qū)動部分主要由微電機、驅(qū)動齒輪、軟軸、軟軸承等相關(guān)部件構(gòu)成，如圖1所示在運作過程中，電機的旋轉(zhuǎn)工作狀態(tài)是由電子控制器（ECU）確定。根據(jù)ECU發(fā)出的指令，微電機執(zhí)行相應(yīng)操作，以確定傳遞的力是導(dǎo)致執(zhí)行器向前滑動還是向后滑動， 因而決定了車頂玻璃開啟還是關(guān)閉。同時，微電機還接受工作時間等信號以確定執(zhí)行機構(gòu)的運動開始和終止。撓性軸將獲得動力輸入，將動力傳遞給運動執(zhí)行機構(gòu)。從而實現(xiàn)動力輸出，完成天窗的運動控制[3]。

3 載荷的確定

為了確定端面的受力，將橫梁簡化為一個簡支梁，長度數(shù)值與原模型一致為912.3mm，兩端固定并且受均布載荷，可算得橫梁接觸面所受力的大小。

式中：EI-天窗橫梁彎曲剛度;

q-均布載荷;

l-橫梁長度距離;

x-垂直方向彎曲撓度到支撐點的距離;

w-梁的撓度;

將查的各個數(shù)值和已知條件代入，求得橫梁兩端所受的力F=q×l，約等于240N，這個考慮車身玻璃和其他部件的重量未知，并且考慮簡化后誤差的存在，確定橫梁荷載為300N。

4 強度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對網(wǎng)格劃分完畢的橫梁有限元模型施加相應(yīng)的約束和載荷，通過計算得出橫梁的應(yīng)變分布如圖2所示。可以看到橫梁的位移值在0～7.4mm之間，最大變形處在橫梁的中間部分，最大變形量為7.4mm。應(yīng)力分布如圖3所示，可以看出橫梁應(yīng)力值在0～282MPa之間，兩端部分接觸面承受應(yīng)力最大值為282MPa。

得到應(yīng)力和位移云圖后，在“Force”界面下橫梁受力的細(xì)節(jié)欄，選中 “Z Component”一欄左側(cè)的邊框，提取最大應(yīng)力參數(shù)，位移參數(shù)操作與此類似，最終提取到的最大載荷參數(shù)為300N，最大位移參數(shù)為7.4mm，最大應(yīng)力參數(shù)為634.56MPa。提取后返回用戶界面，在變量設(shè)置“Parameter Set”中查看輸入與輸出參數(shù)，尤其是P3代表的零件厚度和P4代表的力。

設(shè)置好優(yōu)化目標(biāo)后，在“Result”中依次查看樣本點的權(quán)衡圖、樣本圖、靈敏度圖。這里權(quán)衡圖是查看各種優(yōu)化后的位移值和應(yīng)力值的離散變量;樣本圖是利用計算后多個樣本的四個變量關(guān)系直觀地展現(xiàn)在二維圖上;靈敏度圖是采用柱狀圖的形式，直觀的展現(xiàn)了兩個輸出變量與靈敏度的關(guān)系。將最優(yōu)化的樣本應(yīng)用后，返回用戶界面進(jìn)入“model”模塊，將剛剛優(yōu)化后的參數(shù)導(dǎo)入再進(jìn)行計算，得到的最大位移云圖、最大應(yīng)力圖與優(yōu)化前的兩圖對比如圖4、圖5所示。

從圖中可以看到，在保證研究對象結(jié)構(gòu)不變的情況下，使厚度最小化從而實現(xiàn)零件的輕量化。在受力最大的情況下進(jìn)行仿真分析，最終的結(jié)果顯示了優(yōu)化前最大位移7.4mm，優(yōu)化后最大位移2.9mm;優(yōu)化前承受的最大應(yīng)力為634MPa，優(yōu)化后的最大應(yīng)力為280MPa。

5 結(jié)語

本文對汽車太陽能天窗進(jìn)行了有限元計算，最終的結(jié)果顯示了優(yōu)化前最大位移7.35mm，優(yōu)化后最大位移2.98mm;優(yōu)化前承受的最大應(yīng)力為634MPa，優(yōu)化后的最大應(yīng)力為280MPa。實現(xiàn)了輕量化的目的，并且滿足了太陽能天窗的強度要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳洪坤.汽車新能源領(lǐng)域的太陽技術(shù)應(yīng)用研究[J].能源與節(jié)能，2017（04）：73-74.

[2]李洪波，韓光省，裴軍偉.汽車天窗功能及新技術(shù)應(yīng)用淺析[J].汽車電器， 2019 （10）：49-50.

[3]金婉如.基于UG的汽車天窗設(shè)計和開發(fā)[D].哈爾濱理工大學(xué)，2005.