鄧偉彬

摘 要：文章就鈑金件應力集中有限元分析與優(yōu)化進行研究，首先就鈑金件及鈑金件應力集中進行分析，然后闡述鈑金件優(yōu)化設計的理論依據(jù)，最后通過構建優(yōu)化模型和數(shù)值仿真分析，對鈑金件應力集中進行有限元分析，并且對鈑金件的剛度進行優(yōu)化，從而提高鈑金件的應用水平。

關鍵詞：鈑金件；應力集中；有限元分析

中圖分類號：TG38 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）20-0102-02

Abstract： In this paper， the finite element analysis and optimization of stress concentration of sheet metal parts are studied. Firstly， the stress concentration of sheet metal parts and sheet metal parts are analyzed， then the theoretical basis of the optimum design of sheet metal parts is expounded. Finally， the optimization model and numerical simulation analysis are constructed. The stress concentration of sheet metal is analyzed by finite element method， and the stiffness of sheet metal is optimized to improve the application level of sheet metal.

Keywords： sheet metal parts； stress concentration； finite element analysis

引言

鈑金件是工業(yè)生產領域廣泛應用的零件，其剛度會受到很多因素的影響，因此在生產制造的過程中必須應用有限元法進行分析，從而設計出最佳的鈑金件生產形狀，提高鈑金件在各項應用領域的剛度和強度。鈑金件最主要的特點是制作成本低、強度高、重量輕，因此能夠實現(xiàn)大規(guī)模的生產和加工，現(xiàn)階段廣泛應用于手機、電腦、空調、飛機等生產領域。為進一步提升應用水平，研究這一課題是很有必要的。

1 鈑金件應力集中分析

1.1 鈑金件概述

鈑金件是一種具有顯著優(yōu)勢的金屬元件，主要采用鈑金沖壓的生產方式生產而成，在社會各領域都具有廣泛的應用，例如航空航天領域、通信領域、電子電器領域、醫(yī)療器械領域、汽車工業(yè)領域等。鈑金件最顯著的應用優(yōu)勢由以下幾方面構成，分別是制作成本低、強度高、重量輕，由于鈑金沖壓的制作方法已經具有悠久的發(fā)展歷史，因此鈑金件制作的工藝流程也相對比較成熟，不僅能夠滿足各項產品的性能需求，還能夠滿足產品的外觀設計。鈑金件的鈑金沖壓加工方式是一種具有綜合性特征的冷加工方式，主要應用到的加工方式有焊接、拼接、沖切復合、鉚接等。

1.2 鈑金件應力集中概述

應力集中屬于彈性力學中的概念和內容，指的是某物體的局部存在應力集中并增高的現(xiàn)象，從而導致物體的剛度受到影響，使物體局部變得脆弱，從而發(fā)生變形和位移。這一現(xiàn)象主要存在于高剛性的物質中，鈑金件作為一種剛度較強的元件，因此存在應力集中這一現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為鈑金件應力集中位置發(fā)生靜載斷裂。當鈑金件發(fā)生應力集中現(xiàn)象時，鈑金件應力點的應力會逐漸增強，而應力點的間距會逐漸下降，這時鈑金件的形狀就會發(fā)生變化。為了增強鈑金件的剛度和強度，在設計的過程中需要對鈑金件的應力集中現(xiàn)象進行深入分析和研究，確定影響鈑金件強度的各項因素，并且給予針對性的解決[1]。

2 鈑金件優(yōu)化設計的理論依據(jù)分析

有限元分析法伴隨計算機發(fā)展而產生，主要通過計算機技術對鈑金件設計和制作過程中的各項數(shù)值進行采集和分析，以定量分析的方法制定出合理的優(yōu)化設計方案。對于鈑金件的應力集中而言，有限元分析法能夠通過數(shù)據(jù)分析對可能存在的局部斷裂、表面褶皺、局部減薄等生產不足進行預測，從而提高鈑金件的設計水平和生產質量。就目前有限元分析法的應用現(xiàn)狀來看，不僅能夠提高產品的質量，還能夠使企業(yè)的生產成本得到控制，從而獲得更大的經濟效益和競爭實力。本文對有限元分析法的應用主要集中于兩個方面，一方面是優(yōu)化鈑金件的強度，另一方面是調整鈑金件的厚度，實現(xiàn)不同厚度零件的交替使用，從而使企業(yè)的成本得到進一步的降低，并且保障鈑金件的生產質量。

3 鈑金件應力集中有限元分析與優(yōu)化

3.1 構建優(yōu)化模型

3.1.1 幾何模型。根據(jù)鈑金件應力集中的原理，其優(yōu)化模型的構建主要依據(jù)網格節(jié)點的變形位置和位移位置，對鈑金件的CAD設計進行改造，主要目的是提高鈑金件的剛度、強度和模態(tài)，從而減小應力集中帶來的影響。利用數(shù)據(jù)模型對鈑金件應力集中現(xiàn)象進行表示，可以表示為（x）=（x1，x2，x3…xn），這是對設計模型最小化的表示，其中鈑金件的設計變量由x表示，而（x）則是優(yōu)化模型的目標函數(shù)。通過OptiStruct求解器這一軟件，對這一優(yōu)化模型進行套用，能夠構建出一個三維立體的計算空間，這個空間中的計算不會受到網絡節(jié)點的影響，因此在優(yōu)化模型的設計中可以通過代入變量值，確定優(yōu)化模型的目標，對存在應力集中情況的邊界幾何形狀進行自動確定，從而使鈑金件內部的各個網絡節(jié)點能夠隨著應力的變化而得到優(yōu)化，從而增強鈑金件的剛度和強度。例如在對起釘器的鈑金件進行優(yōu)化模型設計時，可以根據(jù)起釘器的結構特點，對材料屬性、網格劃分、加載和等因素進行綜合，并且在Pro/E這一軟件中得到優(yōu)化模型。

3.1.2 預分析及變量設計。利用有限元法分析和優(yōu)化鈑金件的結構時，必須通過預分析得到鈑金件應力集中的具體區(qū)域，然后利用OptiStruct求解器這一軟件獲取應力值和位置值。根據(jù)幾何模型構建的公式可知，鈑金件的設計屬于變量，因此在鈑金件的優(yōu)化設計中需要對鈑金件的設計給予充分的重視。根據(jù)OptiStruct求解器分析可得，鈑金件的應力主要集中在元件的邊界區(qū)域，因此有限元優(yōu)化就等用于鈑金件邊界區(qū)域中各個網絡節(jié)點的優(yōu)化。為了構建準確的應力集中幾何坐標，采用分層建立單元坐標的方式，將鈑金件邊界節(jié)點的應力作為各個單元坐標的應力，實現(xiàn)相互之間的響應。

3.1.3 優(yōu)化目標及執(zhí)行。為了使優(yōu)化目標的制定更加精確，必須對優(yōu)化目標的參照物進行明確，并且根據(jù)這一參照物確定優(yōu)化目標的比例，然后對優(yōu)化目標進行執(zhí)行。在執(zhí)行優(yōu)化目標的過程中，主要采用的方法是靜態(tài)線性分析法，仍然使用OptiStruct求解器對優(yōu)化目標的數(shù)值進行確定，然后對得到優(yōu)化區(qū)域的鈑金件形狀進行觀察，如果發(fā)生網格不對稱或者上翹的現(xiàn)象，就要對應力集中邊界區(qū)域的網絡節(jié)點進行約束處理，從而保證各個節(jié)點都能夠在可控制的范圍內進行位移。約束邊界區(qū)域的網絡節(jié)點主要采用Grideon法，通過子面板對網絡節(jié)點的移動范圍、位置和類型進行設置，并且嚴格根據(jù)鈑金件的工藝需求，對優(yōu)化解進行計算，從而保證其厚度和形狀能夠滿足優(yōu)化目標，獲得最大強度，減少應力集中對鈑金件帶來的影響[2]。

3.2 數(shù)值仿真分析

利用有限元分析法對鈑金件的優(yōu)化目標進行演算，整個過程都具有動態(tài)性的特點。下面本文主要通過數(shù)值仿真的方式，對鈑金件應力集中進行分析和優(yōu)化。

3.2.1 優(yōu)化設計翻邊高度。翻邊高度對于鈑金件的剛度而言具有至關重要的影響，不僅能夠對生產中的材料進行節(jié)約，降低生產企業(yè)的成本，而且能夠增強鈑金件的質量。通過有限元分析和優(yōu)化法，假設鈑金件具有完全彈性這一特質，在受到外力影響后只存在變形現(xiàn)象，不會被完全破壞。通過A和B兩個實例對這一假設進行分析。

A：有長度、寬度和厚度分別為500毫米、40毫米、2毫米的鈑金件，其外載荷為1500千克，應力集中點在鈑金件長度250毫米和寬度20毫米處。通過仿真數(shù)據(jù)分析可知，在鈑金件長度和作用力大小不變的情況下，其翻邊高度為45毫米時，最大變形量為0.2223毫米；翻邊高度為45毫米時，最大變形量為0.2223毫米；翻邊高度為40毫米時，最大變形量為0.38673毫米；翻邊高度為35毫米時，最大變形量為0.706毫米；翻邊高度為30毫米時，最大變形量為1.591毫米。

B：有長度、寬度和厚度分別為500毫米、30毫米、2毫米的鈑金件，其外載荷為500千克，應力集中點在鈑金件長度250毫米和寬度15毫米處。通過仿真數(shù)據(jù)分析可知，在鈑金件長度和作用力大小不變的情況下，其翻邊高度為35毫米時，最大變形量為0.0923毫米；翻邊高度為30毫米時，最大變形量為0.126毫米；翻邊高度為25毫米時，最大變形量為0.4968毫米；翻邊高度為20毫米時，最大變形量為1.2087毫米。

3.2.2 優(yōu)化設計材料的厚度

在鈑金件的優(yōu)化設計中，應該對不同厚度的材料進行分析，從而在提高鈑金件剛度的基礎上，降低生產加工的成本。通過數(shù)據(jù)仿真分析，可以得到表1數(shù)據(jù)。

表1 鈑金件厚度不同時的數(shù)據(jù)仿真分析

通過表1的仿真數(shù)據(jù)分析可得，當作用力和寬度相同時，不同厚度和翻邊高度會對鈑金件的剛度造成影響，而厚度較小的鈑金件相比厚度高的鈑金件能夠擁有剛強的剛度，因此在實際的設計過程中，生產企業(yè)可以對鈑金件的橫截面積進行調整，從而實現(xiàn)厚鈑金件與薄鈑金件之間的替代，使產品的重量得到進一步的控制，并且降低生產企業(yè)的成本。另外，常見的鈑金件設計有U型和L型，其截面形狀的不同會導致應力集中不同，而U型的剛度明顯比L型強[3]。

4 結束語

綜上所述，針對鈑金件應力集中有限元分析與優(yōu)化的探究是非常必要的。本文主要分析鈑金件應力集中的原理及其優(yōu)化設計的理論依據(jù)，然后應用有限元法對鈑金件剛度進行優(yōu)化設計。研究可得，在利用有限元法進行優(yōu)化設計時，主要對優(yōu)化模型進行構建，設定優(yōu)化目標，最終利用自由形狀法對鈑金件的剛度進行優(yōu)化。希望本文可以為研究鈑金件應力集中有限元分析與優(yōu)化的相關人員提供參考。

參考文獻：

[1]孫志宏，莊璐瑋.基于PAM-STAMP2G的鈦合金鈑金零件橡皮囊成形有限元模擬[J].機械制造與自動化，2016，45（04）：84-86+103.

[2]閆思江，韓曉玲，孫莉莉.鈑金件應力集中有限元分析與優(yōu)化[J].機械工程與自動化，2016（02）：118-119.

[3]董宏達.基于CAE平臺的空調外機鈑金件結構優(yōu)化設計[A].中國家用電器協(xié)會.2015年中國家用電器技術大會論文集[C].中國家用電器協(xié)會，2015，6.