结构优化在汽车天窗设计中的应用.pdf

汽车实用技术
2017年第5期
专题汽车设计与研究
AUTOMOBILE APPLIED TECHNOLOGY
2017N0.5
10.16638/Jj.cnki.1671-798.2017.05.003
结构优化在汽车天窗设计中的应用
蒋振宇
(伟巴斯特车顶系统中国有限公司研发中心,上海201108)
摘要:从我完成的一系列天窗结构优化案例中,选取了两个案例并对其进行了详细的介绍,这也是在国内外首次
系统的披露优化技术在天窗设计中的应用,一个是利用形貌优化技术提高天窗遮阳帘托楹刚度的案例,还有一个是
利用自由形状优化技术降低天窗玻璃框架集中应力的案例。优化结果表明,CAE优化技术能够提高材料的利用率,
改善结构的刚度和强度,同时能够节约大量的时间和费用。
关键词:汽车天窗;自由形状优化;形貌优化;计算机辅助工程
中图分类号:U462.1文献标识码:A文章编号:1671-7988(2017)05-07-03
Structure Optimization Application in Vehicle Sunroof Design
Jiang Zhenyu
(Wcbasto Roof China Co, Ltd, Rcscarch Ccntcr, Shanghai 201108)
Abstract: From my finishcd sunroof/ation cascs, iwo cascs arc sclcctcd and introduccd in dctail, this is also the first
timc to disclose optimization tcchnical application in sunroof design in the world. Onc is the casc to improve sunroof tray
late stiffness by topography technology. Another is the case to reduce sunroof frame bracket concentration stress by
Ircc-shapc oplimization tcchnology. The two optimization cascs show that the CAE optimization tcchnology can improvc
the utilization of the material, promote the stiffness and strength of the structure, and save a lot of time and cost
Keywords: vehicle sunroof; free shape optimization; topography optimization; CAE
CLC NO: 0462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2017)05-07-03
将详细介绍伟巴斯特( Wcbasto)中国在去年(2016年)运用
引言
Optistruct进行优化设计的两个案例。
日前汽车行业竞争非常激烈,国内外各大汽车利和零部件
厂商都在使用或关注结构优化技术,期望通过它能够帮助企业1、遮阳帘托盘形貌优化设计
提高产品的质量、降低开发成木利缩短设计周期,从而提高产
汽车顶棚有些安装点需要固定在天窗遮阳帘托檻上,因
品的竞争力。结构优化通常分为拓扑优化、形貌优化、形状优此整车厂规定每个天窗遮阳帘安装点的最大安装变形应小于
化和尺寸优化,且所有优化类型都可以进行自由组合。
1.0mm。下面将以伟巴斯特( Webasto)某款天窗遮阳帘为研
现在世界上已有多个商用结构优化求解器,其中究对象,介绍利用形貌优化技术提高其刚度的案例
Optistruct 3结构优化求解器以其成熟、全面的技术得到大家的1.1遮阳帘托盘原始结构刚度分析
认可,已被广泛应用于许多行业的产品设计实践中。下面
遮阳帘托盘是由板金冲压而成,因此可以采用売单元对
作者简介:蒋振宇(1977ー),男,江苏东台人,硕上,高级工程师,
结构进行描述,托的材料为DCO1,弹性模量:210Gpa,
就职丁伟巴斯特车顶系统中国有限公司研发中心。研究方向为结构
泊松比:0.33密度为7800.0KgM3。约束托盘与天窗连接点
耐久,安全和NVH分析与优化等
的所有自由度如图1所示,把完成的有限元模型提交给
万方数
2017年第5期
蒋振宇:结构优化在汽车天窗设计中的应用
Optistruct进行静态求解,査看有限元结果,安装点的最大变2、玻璃框架的支架自由形状优化设计
形量为1.82mm如图2所示,原始结构不能满足整车厂的要
汽车天窗和整车一样需要经过道路试验,满足疲劳要求
求(<1.0mm),因此可以利用形貌优化技术对其加强筋重新
布局设计,提高其刚度。
为了减少试制和试验的次数,伟巴斯特( Casto)根据以往
道路试验数据定义了天窗在Z和Y方向CAE简化振动工况。
下面将以伟巴斯特( Casto)某款天窗为研究对象,介绍利
用形状优化技术降低天窗玻璃框架局部应力的案例
2.1天窗总成疲劳分析
某天窗具体结构如下图7所示,经过简化振动CAE分析,
发现天窗玻璃框架支架根部存在应力集中见图8和9。
图1原始结构有限元模型图2原始结构变形云图
1.2遮阳帘托盘形貌优化
形貌优化主要用于在薄壁结构中寻找最优的加强筋分
布,在减轻结构重量的同时能够满足强度、频率等要求。形
貌优化不删除材料,而是在可设计区域中根据节点扰动生成
加强筋。
图7天窗结构
将原有遮阳帘托盘模型中的起筋区域抹平并将它作为设
nts(Mises, Mar
计变量如图3中红色区域所示,考虑到设计空间的限制,加强
筋参数与原有设计保持一致,把加载点位移最小作为优化目
示,在完成其它设置后,提交给 Optistruct,经过30步达代
计算,最终得到新的加强筋分布如图4所示,加强筋分布与
图8Z方向简化振动CAE结果
原有设计明显不同
s-stress
图9Y方向简化振动CAE结果
疲劳极限与结构形式,载荷类型,表面处理和机械加工
图3设计区域
图4优化后云图
粗糙度等等因素相关。对于钢材的疲劳问题,在缺乏实验数
1.3优化结果验证
据的情况下,我们可以用下面的经验公式?来初略的评估钢
完成形貌优化后,利用 Ossmotth工具输出优化后的几材瘦劳极限
何模型,这个模型不可以直接用于生产,需要再次导入专业
0.1=0.27(o+o)
的CAD软件,作为参照对初始设计进行修改,得到适应生
式中:o1是对称载循环疲劳柲限,σ、是屈服强度,o是
产和成本要求的设计方案如图5所示
抗拉强度。此框架材料为DCO4,其力学性能为:=162Mpa
05。=346Mpa,所以o.=137Mpa
据上面原始结构的强度分析结果,天窗玻璃框架的支架
根部存在应力集中并远远大于疲劳极限,必须对其应力集中
区域进行自由形状优化,降低其局部应力
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此天窗在实际台架疲劳测试过程中,也发生了疲劳断裂
破坏,破环形式与CAE结果一致
图5优化设计CAD模型