基于ANSYS的太阳能天窗的优化设计

王小美 李健

摘 要：将汽车天窗设计成太阳能天窗，不仅可以为车载蓄电池充电，而且为汽车轻量化设计提供一个新的方向。本文分析了汽车太阳能天窗的结构，使用ANSYS软件对太阳能天窗的横梁，进行了静态强度分析与校核，并拟定了改进方案。对主要设计参数进行了优化与改进，最终实现横梁部件的结构优化和轻量化。

关键词：太阳能天窗 强度校核 ANSYS 结构优化

1 引言

随着人们环保意识的不断增强和新能源在各行各业里的逐步应用[1]。汽车太阳能天窗技术已经被部分企业所采用，汽车的节能技术一直是其研究重点，将天窗设计为太阳能式天窗，可以增加汽车储存电能的功能，应用前景广泛[2]。

本文对太阳能天窗的关键零部件进行了设计，并对其进行了实体模型装配。使用ANSYS软件对轿车天窗横梁，进行了静态强度分析校核，同时对其主要设计参数进行了优化与改进，最终实现横梁部件的结构优化和轻量化。

2 天窗驱动机构的组成

汽车太阳能天窗驱动部分主要由微电机、驱动齿轮、软轴、软轴承等相关部件构成，如图1所示在运作过程中，电机的旋转工作状态是由电子控制器（ECU）确定。根据ECU发出的指令，微电机执行相应操作，以确定传递的力是导致执行器向前滑动还是向后滑动， 因而决定了车顶玻璃开启还是关闭。同时，微电机还接受工作时间等信号以确定执行机构的运动开始和终止。挠性轴将获得动力输入，将动力传递给运动执行机构。从而实现动力输出，完成天窗的运动控制[3]。

3 载荷的确定

为了确定端面的受力，将横梁简化为一个简支梁，长度数值与原模型一致为912.3mm，两端固定并且受均布载荷，可算得横梁接触面所受力的大小。

式中：EI-天窗横梁弯曲刚度;

q-均布载荷;

l-横梁长度距离;

x-垂直方向弯曲挠度到支撑点的距离;

w-梁的挠度;

将查的各个数值和已知条件代入，求得横梁两端所受的力F=q×l，约等于240N，这个考虑车身玻璃和其他部件的重量未知，并且考虑简化后误差的存在，确定横梁荷载为300N。

4 强度分析与结构优化

对网格划分完毕的横梁有限元模型施加相应的约束和载荷，通过计算得出横梁的应变分布如图2所示。可以看到横梁的位移值在0～7.4mm之间，最大变形处在横梁的中间部分，最大变形量为7.4mm。应力分布如图3所示，可以看出横梁应力值在0～282MPa之间，两端部分接触面承受应力最大值为282MPa。

得到应力和位移云图后，在“Force”界面下横梁受力的细节栏，选中 “Z Component”一栏左侧的边框，提取最大应力参数，位移参数操作与此类似，最终提取到的最大载荷参数为300N，最大位移参数为7.4mm，最大应力参数为634.56MPa。提取后返回用户界面，在变量设置“Parameter Set”中查看输入与输出参数，尤其是P3代表的零件厚度和P4代表的力。

设置好优化目标后，在“Result”中依次查看样本点的权衡图、样本图、灵敏度图。这里权衡图是查看各种优化后的位移值和应力值的离散变量;样本图是利用计算后多个样本的四个变量关系直观地展现在二维图上;灵敏度图是采用柱状图的形式，直观的展现了两个输出变量与灵敏度的关系。将最优化的样本应用后，返回用户界面进入“model”模块，将刚刚优化后的参数导入再进行计算，得到的最大位移云图、最大应力图与优化前的两图对比如图4、图5所示。

从图中可以看到，在保证研究对象结构不变的情况下，使厚度最小化从而实现零件的轻量化。在受力最大的情况下进行仿真分析，最终的结果显示了优化前最大位移7.4mm，优化后最大位移2.9mm;优化前承受的最大应力为634MPa，优化后的最大应力为280MPa。

5 结语

本文对汽车太阳能天窗进行了有限元计算，最终的结果显示了优化前最大位移7.35mm，优化后最大位移2.98mm;优化前承受的最大应力为634MPa，优化后的最大应力为280MPa。实现了轻量化的目的，并且满足了太阳能天窗的强度要求。

参考文献：

[1]吴洪坤.汽车新能源领域的太阳技术应用研究[J].能源与节能，2017（04）：73-74.

[2]李洪波，韓光省，裴军伟.汽车天窗功能及新技术应用浅析[J].汽车电器， 2019 （10）：49-50.

[3]金婉如.基于UG的汽车天窗设计和开发[D].哈尔滨理工大学，2005.