OptiStruct优化技术在汽车顶棚设计中的应用

流星雨

汽车设计的轻量化已经成为了设计过程中必不可少的因素之一，并且贯穿在汽车设计的整个流程中。车身的每一个部件，无论白车身还是汽车装饰部件都会有减重的要求。带有天窗的汽车顶棚一般是在车型设计完成，甚至投产后才进行开发。因此这种汽车顶棚的设计局限性更大。既要考虑到天窗的外观与制造，又不能对车身刚度造成影响。此外，还有对车顶棚的减重的要求。设计难度十分大，采用原始的设计手段需要经过大量的测试才能完成设计，造成大量人力、物力的浪费。

通过仿真优化技术可以大大缩短设计周期，减少实验次数，同时在不牺牲车身刚度的前提下，达到质量的最小化。本文通过有限元优化软件OptiStruct 的尺寸优化功能，对某车型全景天窗型车顶棚的优化过程进行了分析研究。

2 优化模型简介

本款汽车顶棚的原始模型为封闭汽车顶棚，为了适应市场需要，提高产品竞争力，新式顶棚设计为全景天窗式顶棚。本次优化设计的目标是以全景天窗式顶棚为基本模型进行优化，在不牺牲车辆结构刚度的前提下达到质量最小化的目的。具体判断条件有两个：第一，顶棚总成的第一阶频率不低于基本模型；第二，整车模型扭转刚度不低于原始设计。这两个条件也是优化设计的约束条件。优化目标为质量最小。

由于整车模型规模较大，计算时间过长，所以整车模型扭转刚度不低于原始设计不适于作为优化的约束条件。因此我们选用顶棚总成的第一阶频率作为约束条件。综上所述，优化模型简化为顶棚总成及一部分白车身。

3 优化问题描述

有限元优化模型包括结构件和天窗。结构件材料为铁，天窗的材料为玻璃。优化模型有几种备选材料：结构件可以选择铁、铝(Aluminum)、SMC 或LIF37；天窗材料可以选择玻璃或聚碳酸酯（Polycarbonate）。因此可以得到8 种材料组合，如表1：


Glass/ Steel 材料组合为原始模型，选用其他密度比较小的材料可以有效减轻质量，但是结构刚度也会相应收到影响。因此可以增加厚度来进行弥补。综上所述，优化问题定义如下：

设计变量是：结构件和车窗的厚度为变量；
约束条件：大于等于原始模型的第一阶频率；
优化目标：最小化质量。

4 优化分析介绍

4.1 汽车顶棚模型组成

全景天窗式顶棚主要由以下几个部件组成：如图（1）

图（1）
a: Housing d: Front window
b: Side reinforcement e: Rear window
c: Center reinforcement

顶棚模型中还包括滑轨等其他一些零件，同时考虑到零部件的标准化以及减重效果，因此，我们主要的优化对象为以上这些结构件和玻璃。

4.2 计算原始模型第一阶频率

由于上文所述的原因，我们采用顶棚第一阶频率为优化的约束条件，因此我们首先要得到原始模型的第一阶频率作为约束条件的下限。

为了节约计算资源，本文选用部分车身的模型及车顶棚总成为模态计算模型。如图（2）

图（2）

计算软件采用OptiStruct/Analysis 。

计算结果：第一阶模态为21.6 Hz

4.3 优化分析步骤

本文采用了OptiStruct 两种优化方法： Free Size 方法以及Gauge 方法。两种优化技术各有优点，Free Size 优化是以每个单元的厚度为设计变量，Gauge 优化是以component 整体的厚度为设计变量。从优化效果来讲，Free Size 的减重比例更大，优化效果更加明显，但是由于以每个单元的厚度为设计变量，优化结果不是均一的，后期的设计制造将十分困难。

Gauge 方法与之相比，优化效果会稍差一些，但是每个Component 的厚度是均一的，这更利于制造，有着更加实际的意义。

考虑到车顶棚模型的材料为铝或塑料，可以注塑成型。我们提出将两种优化技术综合在一起，结合应用的方案，以达到对顶棚结构件的最佳优化设计。

优化分为如下两个步骤进行：

首先对顶棚的结构件，如Housing, Side Reinforcement, Center Reinforcement 进行Free Size 尺寸优化，以达到最大程度减重的目的。具体优化设置如同上文所述：优化变量为厚度，约束条件为第一阶模态不低于21.6Hz，优化目标为质量最小。得到的优化结果如图3：


对8 种不同的材料组合我们分别进行了优化计算，并且记录优化结果，为下一步做准备。

第二步，观察上一步Free Size 的优化结果，以优化结果为依据，将一个零件划分为若干区域，将这些区域内的单元分别组织到不同的Component 中，如图4，我们将Housing 分为7 个区域，建立8 个新的Component ，命名为HousingA～G， 并将相应区域内的单元组织到这些新建的Component 中。最后以这些新建的Component 厚度为优化变量，进行Gauge 优化。优化具体设置与第一步相同。


采用以上方法进行优化分析所得出的优化结果有以下特点：1.模型为非均厚设计，可以在结构敏感处增加厚度，以达到对结构刚度的保证；在非敏感区尽量减小厚度，以达到减重的要求。2 模型虽为非均厚设计，但是比较有规律，利于设计人员绘图及制造环节的实现，做到以实际应用为目的，实现以优化分析驱动设计的理念。

5 优化分析结果

经过对8 种材料搭配的模型进行优化计算，我们得到如表2 中的优化结果：


从上表中我们得出以下结论：

在不牺牲车身刚度和可制造的情况下，采用铝制材料车顶的减重效果均达到45％以上，相比原始设计有很大的改进。最佳方案是车顶总成中结构件采用铝制材料，天窗采用聚碳酸酯塑料，减重达到质量为29.03Kg，减重效果超过了35%。

6 结论

Altair 公司的OptiStruct 软件，是一款功能强大的优化器，可以有效的对产品进行结构优化分析。通过对实际问题的深入分析并结合该软件的灵活应用，不难在工程应用中达到较好的效果。(