基于CAE分析的雨刮电机支架优化设计

0 引言

    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。

    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，使用形貌优化方法，得到加强筋分布云图，结合工程设计经验和成型工艺，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。最后，通过零件冲压成形分析，雨刮电机支架满足工艺要求。CAE分析技术在加强筋设计中的应用节约了设计成本，达到了预期的目的。本文的研究思路如图1所示。

图1 研究思路

1 基础模型结构分析

1.1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（-9）Ton/mm3，泊松比u=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IOON集中力，有限元分析模型如图2所示。

图2 雨刮电机支架分析模型

1.2 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3所示。

    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。

图3 基础模型安装点刚度分析云图

表1 基础模型分析结果

2 形貌优化分析设计

2.1 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，获取加强筋的最佳分布状况，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4所示。

图4 优化设计区域示意

2.2 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5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6所示。

图5 形貌优化分析结果云图

图6 加强筋布置设计的CAD模型

3 优化模型结构分析验证

    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7所示，验证结果对比见表2。

图7 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。

4 零件成形性分析验证

    针对优化模型结构，开展成形性分析。建立的冲压成型分析模型如图8所示，零件材料牌号为DCOI。冲压模型及零件的成形极限图如图9和图10所示，由分析结果图可知，第一步拉延和后续的起筋、冲孔均可顺利成行，零件部分无明显的冲压开裂和起皱，零件工艺补充位置有起皱出现，但可在后续的切边中去除。零件成形性分析计算结果表明，优化模型结构的零件可顺利成型，本优化方案满足成形性要求。

图8 冲压模型

图9 拉延成形FLD图

图10 最终零件FLD图

5 结论

    (1)通过CAE形貌优化分析方法设计加强筋布置，雨刮电机支架安装点刚度提升46%以上，而且满足零件冲压成形性要求。有效指导了设计人员的正向开发工作，缩短了研发周期，降低了设计成本。

    (2)在汽车产品的正向开发设计初期，介入CAE分析技术，可以规避汽车产品正向设计开发中的风险。在指导概念设计达到性能目标的同时，使零件满足冲压成形等工艺要求。本文的研究思路对其他汽车产品正向开发设计具有参考价值。
 

（编辑：admin）