1 前言
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。
Altair公司的優化分析軟件OptiStruct，內含一個準確快速的有限元求解器，用于進行概念設計和細化設計。OptiStruct特點有：在概念設計階段應用優化、為減少結構質量及其相關費用提供強有力工具、以最少的輸入產生優化的初始設計結構、減少進入市場前的設計周期、補足現有的專業知識和設計流程。應用Topography技術的形貌優化面板操作使用非常方便，只需定義一個或若干個起筋區域，設定加強筋的最小寬度、起筋角度和高度即可進行優化分析計算。同時，考慮到加工工藝，軟件還提供了多種加強筋的布置形式。優化后的加強筋形狀可以通過OSSmooth工具直接產生有限元網格和CAD數據，供優化方案的解讀和設計。
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OptiStruct的形貌優化方法，得到加強筋分布云圖，結合工程設計經驗和材料成型工藝，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。有效規避了汽車產品正向設計開發中的風險，達到了預期的目的。
2 基礎模型的安裝點剛度分析
2.1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=7.83×10-9Ton/mm3，泊松比μ=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100N集中力，有限元分析模型如圖1所示。
圖1 雨刮電機支架分析模型
2.2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2所示。
圖2 基礎模型安裝點剛度分析云圖
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。
表1 基礎模型分析結果
3 形貌優化設計
3.1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，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3所示。
圖3 優化設計區域示意
3.2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4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5所示。
圖4 形貌優化分析結果云圖
圖5 加強筋布置設計的CAD模型
4 優化模型的性能驗證
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6所示，驗證結果對比見表2。
圖6 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。
5 結論
本文通過利用OptiStruct完成汽車雨刮電機支架的加強筋布置優化設計，新的設計方案優化效果顯著，安裝點剛度均得到明顯提升，有效指導了設計人員的正向開發工作，規避了汽車產品正向設計開發中的風險，降低了產品開發設計成本，縮短了產品開發周期。對于其它零件正向開發設計，使用OptiStruct進行設計優化具有一定的參考價值。
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