1 前言
汽车雨刮电机支架是车身的重要焊接件，作为雨刮电机总成的安装点，在保证其安装精度的同时，支架安装点刚度性能将直接影响到零件的使用性能和装配性能。在汽车零件正向开发设计初期，雨刮电机支架表面的加强筋布置形式需要通过CAE分析优化来提供方案，进行设计指导。
Altair公司的优化分析软件OptiStruct，内含一个准确快速的有限元求解器，用于进行概念设计和细化设计。OptiStruct特点有：在概念设计阶段应用优化、为减少结构质量及其相关费用提供强有力工具、以最少的输入产生优化的初始设计结构、减少进入市场前的设计周期、补足现有的专业知识和设计流程。应用Topography技术的形貌优化面板操作使用非常方便，只需定义一个或若干个起筋区域，设定加强筋的最小宽度、起筋角度和高度即可进行优化分析计算。同时，考虑到加工工艺，软件还提供了多种加强筋的布置形式。优化后的加强筋形状可以通过OSSmooth工具直接产生有限元网格和CAD数据，供优化方案的解读和设计。
本文雨刮电机支架的安装点刚度分析，截取了设计车型部分车身模型。首先分析基础模型的安装点刚度，再以目标车型设计目标的刚度值为性能约束，使用OptiStruct的形貌优化方法，得到加强筋分布云图，结合工程设计经验和材料成型工艺，解读和处理优化结果，重新设计雨刮电机支架。经安装点刚度性能验证分析，加强筋设计方案的优化效果显著。有效规避了汽车产品正向设计开发中的风险，达到了预期的目的。
2 基础模型的安装点刚度分析
2.1有限元模型建立
本文雨刮电机支架安装点刚度分析截取设计车型的部分车身模型。零部件基本都是薄板类零件，以SHELL单元对模型进行离散，点焊和缝焊采用刚性单元模拟。模型单元数约2.28万，节点数约2.36万。钣金件的材料弹性模量E=210000MPa，密度p=7.83×10-9Ton/mm3，泊松比μ=0.3。雨刮电机支架安装点刚度分析时，约束车身模型截断处节点所有自由度，对雨刮电机安装孔中心P1、P2和P3分别沿安装法向施加100N集中力，有限元分析模型如图1所示。
图1 雨刮电机支架分析模型
2.2基础模型分析结果
分析得到雨刮电机支架安装点P1、P2和P3的刚度分析云图如图2所示。
图2 基础模型安装点刚度分析云图
安装点刚度值的计算公式为：K=F/d(N/mm)。计算得到基础模型分析结果见表1。
表1 基础模型分析结果
3 形貌优化设计
3.1优化分析定义
由于设计目标车型的雨刮电机支架安装点刚度不能低于500N/mm，由基础模型摸底可知，P1、P2和P3点的刚度性能均未达到设计目标。需要在不增加结构重量的情况下，通过结构优化设计的形貌优化分析手段，提出雨刮电机支架表面加强筋的布置设计方案。
在与基础模型相同的分析加载工况下，形貌优化分析的性能约束为P1、P2和P3点安装刚度大于500N/mm，即加载点位移均小于0.2mm，目标函数为加权应变能最小。设计加强筋参数Minimun Width值为6mm，Draw Angle值为60度，控制Buffer Zone，避免起筋区域与非设计区域之间产生突变。设计区域为雨刮电机支架的安装平面绿色区域，避开安装点位置，蓝色区域为非设计区域。如图3所示。
图3 优化设计区域示意
3.2优化设计方案
经过十二步迭代，雨刮电机支架形貌优化的分析结果云图如图4所示。结合工程设计经验和材料成型工艺，解读和处理优化结果，设计加强筋布置，重新设计的雨刮电机支架CAD模型如图5所示。
图4 形貌优化分析结果云图
图5 加强筋布置设计的CAD模型
4 优化模型的性能验证
在与基础模型相同的分析加载工况下，汽车雨刮电机安装支架优化模型的安装点刚度分析结果云图如图6所示，验证结果对比见表2。
图6 优化模型安装点刚度分析云图
表2 雨刮电机支架优化模型验证结果
由优化模型的安装点刚度性能验证结果可知，与基础模型相比，在雨刮电机质量未增加的情况下，结构优化分析提供的加强筋设计布置方案使得安装点P1、P2和P3的刚度均得到提升。其中，P1点的刚度值约为基础模型的三倍。可见，加强筋的优化设计效果非常显著。
5 结论
本文通过利用OptiStruct完成汽车雨刮电机支架的加强筋布置优化设计，新的设计方案优化效果显著，安装点刚度均得到明显提升，有效指导了设计人员的正向开发工作，规避了汽车产品正向设计开发中的风险，降低了产品开发设计成本，缩短了产品开发周期。对于其它零件正向开发设计，使用OptiStruct进行设计优化具有一定的参考价值。
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