基于CAE分析的雨刮電機支架優化設計

0 引言

    汽車雨刮電機支架是車身的重要焊接件，作為雨刮電機總成的安裝點，在保證其安裝精度的同時，支架安裝點剛度性能將直接影響到零件的使用性能和裝配性能。在汽車零件正向開發設計初期，雨刮電機支架表面的加強筋布置形式需要通過CAE分析優化來提供方案，進行設計指導。

    本文雨刮電機支架的安裝點剛度分析，截取了設計車型部分車身模型。首先分析基礎模型的安裝點剛度，再以目標車型設計目標的剛度值為性能約束，使用形貌優化方法，得到加強筋分布云圖，結合工程設計經驗和成型工藝，解讀和處理優化結果，重新設計雨刮電機支架。經安裝點剛度性能驗證分析，加強筋設計方案的優化效果顯著。最后，通過零件沖壓成形分析，雨刮電機支架滿足工藝要求。CAE分析技術在加強筋設計中的應用節約了設計成本，達到了預期的目的。本文的研究思路如圖1所示。

圖1 研究思路

1 基礎模型結構分析

1.1有限元模型建立

    本文雨刮電機支架安裝點剛度分析截取設計車型的部分車身模型。零部件基本都是薄板類零件，以SHELL單元對模型進行離散，點焊和縫焊采用剛性單元模擬。模型單元數約2.28萬，節點數約2.36萬。鈑金件的材料彈性模量E=210000MPa，密度p=7.83×10（-9）Ton/mm3，泊松比u=0.3。雨刮電機支架安裝點剛度分析時，約束車身模型截斷處節點所有自由度，對雨刮電機安裝孔中心P1、P2和P3分別沿安裝法向施加IOON集中力，有限元分析模型如圖2所示。

圖2 雨刮電機支架分析模型

1.2 基礎模型分析結果

    分析得到雨刮電機支架安裝點P1、P2和P3的剛度分析云圖如圖3所示。

    安裝點剛度值的計算公式為：K=F/d(N/mm)。計算得到基礎模型分析結果見表1。

圖3 基礎模型安裝點剛度分析云圖

表1 基礎模型分析結果

2 形貌優化分析設計

2.1 優化分析定義

    由于設計目標車型的雨刮電機支架安裝點剛度不能低于500N/mm，由基礎模型摸底可知，P1、P2和P3點的剛度性能均未達到設計目標。需要在不增加結構重量的情況下，通過結構優化設計的形貌優化分析手段，獲取加強筋的最佳分布狀況，提出雨刮電機支架表面加強筋的布置設計方案。

    在與基礎模型相同的分析加載工況下，形貌優化分析的性能約束為P1、P2和P3點安裝剛度大于500N/mm，即加載點位移均小于0.2mm，目標函數為加權應變能最小。設計加強筋參數Minimun Width值為6mm，Draw Angle值為60度，控制Buffer Zone，避免起筋區域與非設計區域之間產生突變。設計區域為雨刮電機支架的安裝平面綠色區域，避開安裝點位置，藍色區域為非設計區域，如圖4所示。

圖4 優化設計區域示意

2.2 優化設計方案

    經過十二步迭代，雨刮電機支架形貌優化的分析結果云圖如圖5所示。結合工程設計經驗和材料成型工藝，解讀和處理優化結果，設計加強筋布置，重新設計的雨刮電機支架CAD模型如圖6所示。

圖5 形貌優化分析結果云圖

圖6 加強筋布置設計的CAD模型

3 優化模型結構分析驗證

    在與基礎模型相同的分析加載工況下，汽車雨刮電機安裝支架優化模型的安裝點剛度分析結果云圖如圖7所示，驗證結果對比見表2。

圖7 優化模型安裝點剛度分析云圖

表2 雨刮電機支架優化模型驗證結果

    由優化模型的安裝點剛度性能驗證結果可知，與基礎模型相比，在雨刮電機質量未增加的情況下，結構優化分析提供的加強筋設計布置方案使得安裝點P1、P2和P3的剛度均得到提升。其中，P1點的剛度值約為基礎模型的三倍?？梢?，加強筋的優化設計效果非常顯著。

4 零件成形性分析驗證

    針對優化模型結構，開展成形性分析。建立的沖壓成型分析模型如圖8所示，零件材料牌號為DCOI。沖壓模型及零件的成形極限圖如圖9和圖10所示，由分析結果圖可知，第一步拉延和后續的起筋、沖孔均可順利成行，零件部分無明顯的沖壓開裂和起皺，零件工藝補充位置有起皺出現，但可在后續的切邊中去除。零件成形性分析計算結果表明，優化模型結構的零件可順利成型，本優化方案滿足成形性要求。

圖8 沖壓模型

圖9 拉延成形FLD圖

圖10 最終零件FLD圖

5 結論

    (1)通過CAE形貌優化分析方法設計加強筋布置，雨刮電機支架安裝點剛度提升46%以上，而且滿足零件沖壓成形性要求。有效指導了設計人員的正向開發工作，縮短了研發周期，降低了設計成本。

    (2)在汽車產品的正向開發設計初期，介入CAE分析技術，可以規避汽車產品正向設計開發中的風險。在指導概念設計達到性能目標的同時，使零件滿足沖壓成形等工藝要求。本文的研究思路對其他汽車產品正向開發設計具有參考價值。
 

（編輯：admin）