OptiStruct 优化技术在汽车顶棚设计中的应用

1 引言
    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