探究钣金件应力集中有限元分析与优化

王飞 王利花

摘 要：根据Optistruct求解器，对钣金件当中存在的应力集中进行有限元优化与分析，在确保厚度相同的前提下，提供应力集中区域的最佳几何形状，从而进一步提升钣金刚度与模态，并使得应力集中得到有效降低，使得材料发挥出最佳的机械性能。本文就钣金件应力集中有限元分析与优化进行探讨。

关键词：钣金件； 应力集中； 有限元分析与优化

钣金件具有重量轻、强度高、成本低、大规模量产等特点，在电子电器、通信、汽车工业、医疗器械等领域得到了广泛应用，如在电脑机箱、手机中，钣金是必不可少的组成部分[1]。现阶段钣金件得到了极其广泛的应用，对钣金件进行设计也就逐渐变成产品在开发过程当中极其重要的一个环节。钣金件加工属于一种冷加工工艺，其中包含焊接，拼接以及成型等各个方面。

一、优化模型

优化设计的数学模型可以表述为：

最小化：

约束条件：

其中：X为设计变量，X=x1，x2……，xn；f（x）为目标函数；gi（x）为约束函数；L、U为上、下限。

形状优化技术主要是将网格节点进行移动或变形到另外一个新位置，这样就使得零件CAD设计得到优化，从而增强钣金的模态与刚度，并有效降低应力集中等[1]。同时，本文主要是通过自由形状优化，其与形状优化技术在基本思想方面有一定的差异。对自由形状优化中的外部边界点进行移动时，是软件按照上述优化模型在三维空间当中，自动的进行确定与计算，无需用户通过定义节点来进行扰动，只需用户选择边界节点集合以及设定边界节点的变形方式，随后Optistruct求解器会自动确定能够实现最佳优化目标的边界几何形状。同时，内部节点会通过自适应变形的方式来有效减少单元扭曲[2]。

二、钣金件应力集中有限元分析与优化

本文就以某厂生产的起钉器为例阐述其优化过程和方法。钣金件是构成起钉器的主要成分，在进行设计时就需要对其受力进行分析，从而有效降低应力集中，并提升其刚度与强度，使得其在进行使用时更为稳固。

（一）建立起钉器几何模型

首先根据实际尺寸，通过三维造型软件Pro/Engineer来建立几何模型。参考实际使用状况，在保证不影响其分析后得出结果的准确性的基础上，对几何模型进行适当的约束，简化，加载荷以及网格划分等，从而得到有限元模型。

（二）预分析

通过预分析能够探寻出哪个区域应力集中过大。通过求解器Optistruct对有限元模型进行分析，就能够得到如图1、2所示的应力与位移分布图

（三）定义设计變量

设计的变量X为一种矢量，其是根据优化类型来进行选择的，在笔者所举例子当中通过自由几何形状优化，将应力集中的区域内的边界点设计为变量，从本质上来看就是优化节点的一种几何坐标。

（四）创建响应

为了确保应力计算结果的准确度，可以在应力集中的区域构建一层壳单元，然后在壳单元上创建一个坐标系，如图3所示。从而将壳单元上存在的边界点应力当作优化响应。

（五）定义优化目标

在对目标函数进行定义前，需要事先定义一个目标来作为参照，利用参照能够更加便捷的控制优化前的比值以及需要进行优化的目标。而这里需要注意的是几何形状，因此就不设置该值。而是将应力的最小和最大话作为优化目标。

（六）执行优化

构建载荷步，通过静态线性分析，然后由Optistruct求解器进行优化求解。经过观察优化区域中的几何形状，能够发现网格上翘，而这样是钣金件不允许的，因此就需要对边界点采取适当的约束，使得其在同一平面当中进行移动。使用的方法是利用Gridcon子面板将网格的移动类型设置为Planar，来进行重新计算[2]。并且，在符合钣金件工艺要求的约束下，通过改变几何形状来使得应力集中降低的优化结果如图4所示。

三、结束语

综上所述，通过自由形状优化的方式，可以使得钣金件中的应力集中得到有效降低。而锻件以及铸件等就需要根据情况来进行平面约束。其次，进行优化过后的边界点坐标，即（x，y）能够通过相关处理软件HyperView得到，将其当成设计过程中的参考尺寸。

参考文献：

[1]洪清泉.Optistruct&HyperStudy;理论基础与工程应用[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]闫思江，曾显波，李凡国.圆孔孔边的应力集中分析及优化[J].锻压装备与制造技术，2014（6）：68-70.