结构优化在汽车天窗设计中的应用

    1 概述

    目前汽车行业竞争非常激烈，国内外各大汽车和零部件厂商都在使用或关注结构优化技术，期望通过它能够帮助企业提高产品的质量、降低开发成本和缩短设计周期，从而提高产品的竞争力。结构优化通常分为拓扑优化、形貌优化、形状优化和尺寸优化，且所有优化类型都可以进行自由组合。

    现在世界上已有多个商用结构优化求解器，其中OptiStruct结构优化求解器以其成熟、全面的技术得到大家的认可，已被广泛应用于许多行业的产品设计实践中。下面将详细介绍伟巴斯特（Webasto）中国在去年(2016年)运用OptiStruct进行优化设计的两个案例。

    2 遮阳帘托盘形貌优化设计

    汽车顶棚有些安装点需要固定在天窗遮阳帘托盘上，因此整车厂规定每个天窗遮阳帘安装点的最大安装变形应小于1.0mm。下面将以伟巴斯特（Webasto）某款天窗遮阳帘为研究对象，介绍利用形貌优化技术提高其刚度的案例。

    2.1 遮阳帘托盘原始结构刚度分析

    遮阳帘托盘是由板金冲压而成，因此可以采用壳单元对结构进行描述，托盘的材料为DC01，弹性模量：210Gpa，泊松比：0.33，密度为7800.0Kg/M3。约束托盘与天窗连接点的所有自由度如图1所示，把完成的有限元模型提交给OptiStruct进行静态求解，查看有限元结果，安装点的最大变形量为1.82mm如图2所示,原始结构不能满足整车厂的要求（<1.0mm），因此可以利用形貌优化技术对其加强筋重新布局设计，提高其刚度。

    2.2 遮阳帘托盘形貌优化

    形貌优化主要用于在薄壁结构中寻找最优的加强筋分布，在减轻结构重量的同时能够满足强度、频率等要求。形貌优化不删除材料，而是在可设计区域中根据节点扰动生成加强筋。将原有遮阳帘托盘模型中的起筋区域抹平并将它作为设计变量如图3中红色区域所示,考虑到设计空间的限制，加强筋参数与原有设计保持一致，把加载点位移最小作为优化目标，在完成其它设置后，提交给OptiStruct，经过30步迭代计算，最终得到新的加强筋分布如图 4所示，加强筋分布与原有设计明显不同。

    2.3 优化结果验证

    完成形貌优化后，利用OSSmotth工具输出优化后的几何模型，这个不可以直接用于生产，需要再次导入专业的CAD软件，作为参照对初始设计进行修改得到适应生产和成本要求的设计方案如图5所示。