通过FEA进行挡风玻璃雨刮器设计

如果叫大家列出一辆车上的安全装置时，估计很多人都会首先想到安全带或安全气囊。在晴朗的天气中，这个答案或许是正确的，但是如果在暴雨或暴风雪中驱车，而没有前挡风玻璃雨刮器的话，可能会寸步难行。就是这种毫不起眼的雨刮器在为驾驶员的视觉提供着重要的保护。

虽然雨刮片需要定期更换，但是整个雨刮器本身被认为是汽车上最可靠的系统之一，设计寿命平均达到150万次刮擦。可靠性和驾驶员安全性被现代汽车公司视为车辆开发的重中之重，因此在挡风玻璃雨刮器设计方面，该公司的研发中心给予了特别的重视。

“我们会优化现代旗下每一款轿车雨刮器的刮擦性能和疲劳寿命，”现代研发工程师Sungjin Yoon说道。“为了做到这一点，我们会将雨刮器的所有关键设计因素都考虑在内，比如雨刮片的形状、材料以及雨刮臂结构和连接方式等。CAE在整个设计过程中发挥着关键的作用。”

采用各种CAE工具在最初设计阶段对雨刮器几何结构、运作特性、负荷以及应力进行评估和分析可以让现代工程师更好地达到目前雨刮器在性能方面的要求。采用CAE工具还可以让他们预先知道采用不同材料、轻量化或创新雨刮器配置后的设计效果。在车辆开发的最初阶段就确定最有效的设计可以帮助加快产品设计的流程，同时还可以降低原型制作成本及之后的产品制造成本。

现代公司设计小组从事模拟工作的核心工具是达索公司SIMULIA品牌下的Abaqus Unified FEA软件。“雨刮器的物理性能比大家想象的要复杂得多，”Yoon说道。“以前，我们针对刮擦和耐久性分别进行分析，在两个不同的计算机模型上采用两个不同的FEA系统，但是我们想开发一个联合分析模型，这样可以同时分析两个不同的属性。Abaqus拥有全面的模拟性能，可以让我们在一个软件包中对各种属性展开分析。”

除了最基本的往复运动特性，雨刮器还需要在挡风玻璃和雨刮片之间保持一致的压力分配，这样才可以让驾驶员保持清晰的视野。随着雨刮片的老化，雨刮器的刮擦清洁能力还应该可以保持在一定水平。此外，整个雨刮器系统还需要具备足够的强度，可以承受不同程度的负荷，从风雨到暴雪等各种天气条件，还可以保持多年的使用寿命。

为了研究雨刮器设计对刮擦性能和系统耐久性会造成怎样影响，现代研究人员通过其联合FEA工具仅对橡胶雨刮片展开了分析。首先需要一个材料模型，而且要包含橡胶的所有属性，这对精确预测雨刮片的性能来说至关重要。橡胶材料具备非线性的弹性性能，而且其弹性行为对时间有依赖性。这两个性能通过Abaqus中超弹性和粘弹性材料两个选项进行描述。

接下来，研究人员开始模拟雨刮臂系统。雨刮臂是彼此依赖的关节和杆相互连接在一起形成的机械装置，需要在整个橡胶雨刮片上提供一致的压力（这样可以避免玻璃上出现刮擦条纹）。为了加快该系统FEA模型的建立，研究小组采用了动态视觉分析软件。该软件针对各种车辆雨刮器都有一个针对性的模板。雨刮臂组件其实就是一个机械装置，关节部分采用Abaqus连接器元素进行建模分析。

现在研究小组就可以开始运行整个Abaqus模型，对雨刮器的刮擦性能进行评估分析。首先要在雨刮片上施加合适的负荷，让雨刮片与挡风玻璃之间建立初始接触压力。Abaqus中的轴向连接器元素用于体现雨刮臂弹簧的性能。“首先要弄清楚预施加的张力，”Yoon说道。“因为在雨刮器移动的时候需要考虑到这个张力，此外雨刮片在玻璃上形状的改变直接影响整个刮擦区域的效果。”

雨刮臂基座地方会施加旋转力矩，用于模拟电机力矩，具体施加的点处于雨刮器旋转的地方。该力矩使雨刮臂在整个玻璃上往复运动，形成刮擦动作。之后通过分析可以在具体的时间和不同温度下记录雨刮片的整个张力——温度会对橡胶雨刮器造成影响。最终的报告通过现代公司内部工具出具，会显示在整个挡风玻璃上雨刮片的压力分布。模拟结果最终可以与最初的设计参数进行对比分析，确定雨刮片是否达到预期的效果。

分析的第二部分，也就是耐久性（疲劳寿命）分析，也可以在同一个FEA模型上进行。“我们要做的就是在Abaqus Unified FEA模型中改变边界值和负荷条件，”Yoon说道。
在获得刮擦和耐久性分析结果后，工程师便可以通过改变设计参数，同时观察不同参数对雨刮器系统整个性能的影响来优化这两个属性。

“联合分析模型的好处就在于它可以让我们将各种影响刮擦性能和系统耐久性的因素考虑在内，”Yoon总结说道。“在对雨刮臂和连接进行优化之后，我们便可以成功开发出更轻的雨刮器系统，在提高关键关节的连接强度的同时还降低了最大应力。”