基于CAE分析的雨刮电机支架优化设计

本文针对汽车雨刮电机支架,以其安装点刚度为性能目标,应用形貌优化分析方法,提出了一套加强筋布置方案。通过性能验证和零件冲压成形性分析,安装点刚度提升的效果显著,零件成形工艺可行。有效指导了雨刮电机安装支架的设计工作,缩短了研发周期,对其他汽车产品正向开发设计具有重要的参考价值。

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。