王小美 李健

摘 要：將汽車天窗設(shè)計(jì)成太陽(yáng)能天窗，不僅可以為車載蓄電池充電，而且為汽車輕量化設(shè)計(jì)提供一個(gè)新的方向。本文分析了汽車太陽(yáng)能天窗的結(jié)構(gòu)，使用ANSYS軟件對(duì)太陽(yáng)能天窗的橫梁，進(jìn)行了靜態(tài)強(qiáng)度分析與校核，并擬定了改進(jìn)方案。對(duì)主要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化與改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)橫梁部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能天窗 強(qiáng)度校核 ANSYS 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1 引言

隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)和新能源在各行各業(yè)里的逐步應(yīng)用[1]。汽車太陽(yáng)能天窗技術(shù)已經(jīng)被部分企業(yè)所采用，汽車的節(jié)能技術(shù)一直是其研究重點(diǎn)，將天窗設(shè)計(jì)為太陽(yáng)能式天窗，可以增加汽車儲(chǔ)存電能的功能，應(yīng)用前景廣泛[2]。

本文對(duì)太陽(yáng)能天窗的關(guān)鍵零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)體模型裝配。使用ANSYS軟件對(duì)轎車天窗橫梁，進(jìn)行了靜態(tài)強(qiáng)度分析校核，同時(shí)對(duì)其主要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化與改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)橫梁部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化。

2 天窗驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成

汽車太陽(yáng)能天窗驅(qū)動(dòng)部分主要由微電機(jī)、驅(qū)動(dòng)齒輪、軟軸、軟軸承等相關(guān)部件構(gòu)成，如圖1所示在運(yùn)作過(guò)程中，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)工作狀態(tài)是由電子控制器（ECU）確定。根據(jù)ECU發(fā)出的指令，微電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)操作，以確定傳遞的力是導(dǎo)致執(zhí)行器向前滑動(dòng)還是向后滑動(dòng)， 因而決定了車頂玻璃開(kāi)啟還是關(guān)閉。同時(shí)，微電機(jī)還接受工作時(shí)間等信號(hào)以確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)開(kāi)始和終止。撓性軸將獲得動(dòng)力輸入，將動(dòng)力傳遞給運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出，完成天窗的運(yùn)動(dòng)控制[3]。

3 載荷的確定

為了確定端面的受力，將橫梁簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)支梁，長(zhǎng)度數(shù)值與原模型一致為912.3mm，兩端固定并且受均布載荷，可算得橫梁接觸面所受力的大小。

式中：EI-天窗橫梁彎曲剛度;

q-均布載荷;

l-橫梁長(zhǎng)度距離;

x-垂直方向彎曲撓度到支撐點(diǎn)的距離;

w-梁的撓度;

將查的各個(gè)數(shù)值和已知條件代入，求得橫梁兩端所受的力F=q×l，約等于240N，這個(gè)考慮車身玻璃和其他部件的重量未知，并且考慮簡(jiǎn)化后誤差的存在，確定橫梁荷載為300N。

4 強(qiáng)度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)網(wǎng)格劃分完畢的橫梁有限元模型施加相應(yīng)的約束和載荷，通過(guò)計(jì)算得出橫梁的應(yīng)變分布如圖2所示?？梢钥吹綑M梁的位移值在0～7.4mm之間，最大變形處在橫梁的中間部分，最大變形量為7.4mm。應(yīng)力分布如圖3所示，可以看出橫梁應(yīng)力值在0～282MPa之間，兩端部分接觸面承受應(yīng)力最大值為282MPa。

得到應(yīng)力和位移云圖后，在“Force”界面下橫梁受力的細(xì)節(jié)欄，選中 “Z Component”一欄左側(cè)的邊框，提取最大應(yīng)力參數(shù)，位移參數(shù)操作與此類似，最終提取到的最大載荷參數(shù)為300N，最大位移參數(shù)為7.4mm，最大應(yīng)力參數(shù)為634.56MPa。提取后返回用戶界面，在變量設(shè)置“Parameter Set”中查看輸入與輸出參數(shù)，尤其是P3代表的零件厚度和P4代表的力。

設(shè)置好優(yōu)化目標(biāo)后，在“Result”中依次查看樣本點(diǎn)的權(quán)衡圖、樣本圖、靈敏度圖。這里權(quán)衡圖是查看各種優(yōu)化后的位移值和應(yīng)力值的離散變量;樣本圖是利用計(jì)算后多個(gè)樣本的四個(gè)變量關(guān)系直觀地展現(xiàn)在二維圖上;靈敏度圖是采用柱狀圖的形式，直觀的展現(xiàn)了兩個(gè)輸出變量與靈敏度的關(guān)系。將最優(yōu)化的樣本應(yīng)用后，返回用戶界面進(jìn)入“model”模塊，將剛剛優(yōu)化后的參數(shù)導(dǎo)入再進(jìn)行計(jì)算，得到的最大位移云圖、最大應(yīng)力圖與優(yōu)化前的兩圖對(duì)比如圖4、圖5所示。

從圖中可以看到，在保證研究對(duì)象結(jié)構(gòu)不變的情況下，使厚度最小化從而實(shí)現(xiàn)零件的輕量化。在受力最大的情況下進(jìn)行仿真分析，最終的結(jié)果顯示了優(yōu)化前最大位移7.4mm，優(yōu)化后最大位移2.9mm;優(yōu)化前承受的最大應(yīng)力為634MPa，優(yōu)化后的最大應(yīng)力為280MPa。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)汽車太陽(yáng)能天窗進(jìn)行了有限元計(jì)算，最終的結(jié)果顯示了優(yōu)化前最大位移7.35mm，優(yōu)化后最大位移2.98mm;優(yōu)化前承受的最大應(yīng)力為634MPa，優(yōu)化后的最大應(yīng)力為280MPa。實(shí)現(xiàn)了輕量化的目的，并且滿足了太陽(yáng)能天窗的強(qiáng)度要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳洪坤.汽車新能源領(lǐng)域的太陽(yáng)技術(shù)應(yīng)用研究[J].能源與節(jié)能，2017（04）：73-74.

[2]李洪波，韓光省，裴軍偉.汽車天窗功能及新技術(shù)應(yīng)用淺析[J].汽車電器， 2019 （10）：49-50.

[3]金婉如.基于UG的汽車天窗設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)[D].哈爾濱理工大學(xué)，2005.