基于CAE分析的雨刮電機(jī)支架優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文針對(duì)汽車(chē)雨刮電機(jī)支架,以其安裝點(diǎn)剛度為性能目標(biāo),應(yīng)用形貌優(yōu)化分析方法,提出了一套加強(qiáng)筋布置方案。通過(guò)性能驗(yàn)證和零件沖壓成形性分析,安裝點(diǎn)剛度提升的效果顯著,零件成形工藝可行。有效指導(dǎo)了雨刮電機(jī)安裝支架的設(shè)計(jì)工作,縮短了研發(fā)周期,對(duì)其他汽車(chē)產(chǎn)品正向開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

本文雨刮電機(jī)支架的安裝點(diǎn)剛度分析,截取了設(shè)計(jì)車(chē)型部分車(chē)身模型。首先分析基礎(chǔ)模型的安裝點(diǎn)剛度,再以目標(biāo)車(chē)型設(shè)計(jì)目標(biāo)的剛度值為性能約束,使用形貌優(yōu)化方法,得到加強(qiáng)筋分布云圖,結(jié)合工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和成型工藝,解讀和處理優(yōu)化結(jié)果,重新設(shè)計(jì)雨刮電機(jī)支架。經(jīng)安裝點(diǎn)剛度性能驗(yàn)證分析,加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化效果顯著。最后,通過(guò)零件沖壓成形分析,雨刮電機(jī)支架滿足工藝要求。CAE分析技術(shù)在加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用節(jié)約了設(shè)計(jì)成本,達(dá)到了預(yù)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(chǔ)模型結(jié)構(gòu)分析

1.1有限元模型建立

本文雨刮電機(jī)支架安裝點(diǎn)剛度分析截取設(shè)計(jì)車(chē)型的部分車(chē)身模型。零部件基本都是薄板類零件,以SHELL單元對(duì)模型進(jìn)行離散,點(diǎn)焊和縫焊采用剛性單元模擬。模型單元數(shù)約2.28萬(wàn),節(jié)點(diǎn)數(shù)約2.36萬(wàn)。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(jī)支架安裝點(diǎn)剛度分析時(shí),約束車(chē)身模型截?cái)嗵幑?jié)點(diǎn)所有自由度,對(duì)雨刮電機(jī)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(jī)支架分析模型

1.2 基礎(chǔ)模型分析結(jié)果

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

安裝點(diǎn)剛度值的計(jì)算公式為:K=F/d(N/mm)。計(jì)算得到基礎(chǔ)模型分析結(jié)果見(jiàn)表1。

圖3 基礎(chǔ)模型安裝點(diǎn)剛度分析云圖

表1 基礎(chǔ)模型分析結(jié)果

2 形貌優(yōu)化分析設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化分析定義

由于設(shè)計(jì)目標(biāo)車(chē)型的雨刮電機(jī)支架安裝點(diǎn)剛度不能低于500N/mm,由基礎(chǔ)模型摸底可知,P1、P2和P3點(diǎn)的剛度性能均未達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。需要在不增加結(jié)構(gòu)重量的情況下,通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的形貌優(yōu)化分析手段,獲取加強(qiáng)筋的最佳分布狀況,提出雨刮電機(jī)支架表面加強(qiáng)筋的布置設(shè)計(jì)方案。

在與基礎(chǔ)模型相同的分析加載工況下,形貌優(yōu)化分析的性能約束為P1、P2和P3點(diǎn)安裝剛度大于500N/mm,即加載點(diǎn)位移均小于0.2mm,目標(biāo)函數(shù)為加權(quán)應(yīng)變能最小。設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋參數(shù)Minimun Width值為6mm,Draw Angle值為60度,控制Buffer Zone,避免起筋區(qū)域與非設(shè)計(jì)區(qū)域之間產(chǎn)生突變。設(shè)計(jì)區(qū)域?yàn)橛旯坞姍C(jī)支架的安裝平面綠色區(qū)域,避開(kāi)安裝點(diǎn)位置,藍(lán)色區(qū)域?yàn)榉窃O(shè)計(jì)區(qū)域,如圖4所示。

圖4 優(yōu)化設(shè)計(jì)區(qū)域示意

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

經(jīng)過(guò)十二步迭代,雨刮電機(jī)支架形貌優(yōu)化的分析結(jié)果云圖如圖5所示。結(jié)合工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和材料成型工藝,解讀和處理優(yōu)化結(jié)果,設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋布置,重新設(shè)計(jì)的雨刮電機(jī)支架CAD模型如圖6所示。

圖5 形貌優(yōu)化分析結(jié)果云圖

圖6 加強(qiáng)筋布置設(shè)計(jì)的CAD模型

3 優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)分析驗(yàn)證

在與基礎(chǔ)模型相同的分析加載工況下,汽車(chē)雨刮電機(jī)安裝支架優(yōu)化模型的安裝點(diǎn)剛度分析結(jié)果云圖如圖7所示,驗(yàn)證結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。

圖7 優(yōu)化模型安裝點(diǎn)剛度分析云圖

表2 雨刮電機(jī)支架優(yōu)化模型驗(yàn)證結(jié)果

由優(yōu)化模型的安裝點(diǎn)剛度性能驗(yàn)證結(jié)果可知,與基礎(chǔ)模型相比,在雨刮電機(jī)質(zhì)量未增加的情況下,結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析提供的加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)布置方案使得安裝點(diǎn)P1、P2和P3的剛度均得到提升。其中,P1點(diǎn)的剛度值約為基礎(chǔ)模型的三倍?？梢?jiàn),加強(qiáng)筋的優(yōu)化設(shè)計(jì)效果非常顯著。

4 零件成形性分析驗(yàn)證

針對(duì)優(yōu)化模型結(jié)構(gòu),開(kāi)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(hào)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(jié)果圖可知,第一步拉延和后續(xù)的起筋、沖孔均可順利成行,零件部分無(wú)明顯的沖壓開(kāi)裂和起皺,零件工藝補(bǔ)充位置有起皺出現(xiàn),但可在后續(xù)的切邊中去除。零件成形性分析計(jì)算結(jié)果表明,優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)的零件可順利成型,本優(yōu)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(jié)論

(1)通過(guò)CAE形貌優(yōu)化分析方法設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋布置,雨刮電機(jī)支架安裝點(diǎn)剛度提升46%以上,而且滿足零件沖壓成形性要求。有效指導(dǎo)了設(shè)計(jì)人員的正向開(kāi)發(fā)工作,縮短了研發(fā)周期,降低了設(shè)計(jì)成本。

(2)在汽車(chē)產(chǎn)品的正向開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)初期,介入CAE分析技術(shù),可以規(guī)避汽車(chē)產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的風(fēng)險(xiǎn)。在指導(dǎo)概念設(shè)計(jì)達(dá)到性能目標(biāo)的同時(shí),使零件滿足沖壓成形等工藝要求。本文的研究思路對(duì)其他汽車(chē)產(chǎn)品正向開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。