文章就鈑金件應(yīng)力集中有限元分析與優(yōu)化進(jìn)行研究，首先就鈑金件及鈑金件應(yīng)力集中進(jìn)行分析，然后闡述鈑金件優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，最后通過(guò)構(gòu)建優(yōu)化模型和數(shù)值仿真分析，對(duì)鈑金件應(yīng)力集中進(jìn)行有限元分析，并且對(duì)鈑金件的剛度進(jìn)行優(yōu)化，從而提高鈑金件的應(yīng)用水平。

鈑金件是工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的零件，其剛度會(huì)受到很多因素的影響，因此在生產(chǎn)制造的過(guò)程中必須應(yīng)用有限元法進(jìn)行分析，從而設(shè)計(jì)出最佳的鈑金件生產(chǎn)形狀，提高鈑金件在各項(xiàng)應(yīng)用領(lǐng)域的剛度和強(qiáng)度。鈑金件最主要的特點(diǎn)是制作成本低、強(qiáng)度高、重量輕，因此能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)和加工，現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用于手機(jī)、電腦、空調(diào)、飛機(jī)等生產(chǎn)領(lǐng)域。為進(jìn)一步提升應(yīng)用水平，研究這一課題是很有必要的。

1 鈑金件應(yīng)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(shì)的金屬元件，主要采用鈑金沖壓的生產(chǎn)方式生產(chǎn)而成，在社會(huì)各領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用，例如航空航天領(lǐng)域、通信領(lǐng)域、電子電器領(lǐng)域、醫(yī)療器械領(lǐng)域、汽車工業(yè)領(lǐng)域等。鈑金件最顯著的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)由以下幾方面構(gòu)成，分別是制作成本低、強(qiáng)度高、重量輕，由于鈑金沖壓的制作方法已經(jīng)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(duì)比較成熟，不僅能夠滿足各項(xiàng)產(chǎn)品的性能需求，還能夠滿足產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)。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(yīng)用到的加工方式有焊接、拼接、沖切復(fù)合、鉚接等。

1.2 鈑金件應(yīng)力集中概述

應(yīng)力集中屬于彈性力學(xué)中的概念和內(nèi)容，指的是某物體的局部存在應(yīng)力集中并增高的現(xiàn)象，從而導(dǎo)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(zhì)中，鈑金件作為一種剛度較強(qiáng)的元件，因此存在應(yīng)力集中這一現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為鈑金件應(yīng)力集中位置發(fā)生靜載斷裂。當(dāng)鈑金件發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象時(shí)，鈑金件應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力會(huì)逐漸增強(qiáng)，而應(yīng)力點(diǎn)的間距會(huì)逐漸下降，這時(shí)鈑金件的形狀就會(huì)發(fā)生變化。為了增強(qiáng)鈑金件的剛度和強(qiáng)度，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要對(duì)鈑金件的應(yīng)力集中現(xiàn)象進(jìn)行深入分析和研究，確定影響鈑金件強(qiáng)度的各項(xiàng)因素，并且給予針對(duì)性的解決。

2 鈑金件優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論依據(jù)分析

有限元分析法伴隨計(jì)算機(jī)發(fā)展而產(chǎn)生，主要通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)鈑金件設(shè)計(jì)和制作過(guò)程中的各項(xiàng)數(shù)值進(jìn)行采集和分析，以定量分析的方法制定出合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。對(duì)于鈑金件的應(yīng)力集中而言，有限元分析法能夠通過(guò)數(shù)據(jù)分析對(duì)可能存在的局部斷裂、表面褶皺、局部減薄等生產(chǎn)不足進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而提高鈑金件的設(shè)計(jì)水平和生產(chǎn)質(zhì)量。就目前有限元分析法的應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，不僅能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量，還能夠使企業(yè)的生產(chǎn)成本得到控制，從而獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益和競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。本文對(duì)有限元分析法的應(yīng)用主要集中于兩個(gè)方面，一方面是優(yōu)化鈑金件的強(qiáng)度，另一方面是調(diào)整鈑金件的厚度，實(shí)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(jìn)一步的降低，并且保障鈑金件的生產(chǎn)質(zhì)量。

3 鈑金件應(yīng)力集中有限元分析與優(yōu)化

3.1 構(gòu)建優(yōu)化模型

3.1.1 幾何模型

根據(jù)鈑金件應(yīng)力集中的原理，其優(yōu)化模型的構(gòu)建主要依據(jù)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的變形位置和位移位置，對(duì)鈑金件的CAD設(shè)計(jì)進(jìn)行改造，主要目的是提高鈑金件的剛度、強(qiáng)度和模態(tài)，從而減小應(yīng)力集中帶來(lái)的影響。利用數(shù)據(jù)模型對(duì)鈑金件應(yīng)力集中現(xiàn)象進(jìn)行表示，可以表示為（x）=（x1，x2，x3…xn），這是對(duì)設(shè)計(jì)模型最小化的表示，其中鈑金件的設(shè)計(jì)變量由x表示，而（x）則是優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)。通過(guò)OptiStruct求解器這一軟件，對(duì)這一優(yōu)化模型進(jìn)行套用，能夠構(gòu)建出一個(gè)三維立體的計(jì)算空間，這個(gè)空間中的計(jì)算不會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的影響，因此在優(yōu)化模型的設(shè)計(jì)中可以通過(guò)代入變量值，確定優(yōu)化模型的目標(biāo)，對(duì)存在應(yīng)力集中情況的邊界幾何形狀進(jìn)行自動(dòng)確定，從而使鈑金件內(nèi)部的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠隨著應(yīng)力的變化而得到優(yōu)化，從而增強(qiáng)鈑金件的剛度和強(qiáng)度。例如在對(duì)起釘器的鈑金件進(jìn)行優(yōu)化模型設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)起釘器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)材料屬性、網(wǎng)格劃分、加載和等因素進(jìn)行綜合，并且在Pro/E這一軟件中得到優(yōu)化模型。

3.1.2 預(yù)分析及變量設(shè)計(jì)

利用有限元法分析和優(yōu)化鈑金件的結(jié)構(gòu)時(shí)，必須通過(guò)預(yù)分析得到鈑金件應(yīng)力集中的具體區(qū)域，然后利用OptiStruct求解器這一軟件獲取應(yīng)力值和位置值。根據(jù)幾何模型構(gòu)建的公式可知，鈑金件的設(shè)計(jì)屬于變量，因此在鈑金件的優(yōu)化設(shè)計(jì)中需要對(duì)鈑金件的設(shè)計(jì)給予充分的重視。根據(jù)OptiStruct求解器分析可得，鈑金件的應(yīng)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(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化。為了構(gòu)建準(zhǔn)確的應(yīng)力集中幾何坐標(biāo)，采用分層建立單元坐標(biāo)的方式，將鈑金件邊界節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力作為各個(gè)單元坐標(biāo)的應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)相互之間的響應(yīng)。

3.1.3 優(yōu)化目標(biāo)及執(zhí)行

為了使優(yōu)化目標(biāo)的制定更加精確，必須對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的參照物進(jìn)行明確，并且根據(jù)這一參照物確定優(yōu)化目標(biāo)的比例，然后對(duì)優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行執(zhí)行。在執(zhí)行優(yōu)化目標(biāo)的過(guò)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(duì)優(yōu)化目標(biāo)的數(shù)值進(jìn)行確定，然后對(duì)得到優(yōu)化區(qū)域的鈑金件形狀進(jìn)行觀察，如果發(fā)生網(wǎng)格不對(duì)稱或者上翹的現(xiàn)象，就要對(duì)應(yīng)力集中邊界區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束處理，從而保證各個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠在可控制的范圍內(nèi)進(jìn)行位移。約束邊界區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要采用Grideon法，通過(guò)子面板對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)范圍、位置和類型進(jìn)行設(shè)置，并且嚴(yán)格根據(jù)鈑金件的工藝需求，對(duì)優(yōu)化解進(jìn)行計(jì)算，從而保證其厚度和形狀能夠滿足優(yōu)化目標(biāo)，獲得最大強(qiáng)度，減少應(yīng)力集中對(duì)鈑金件帶來(lái)的影響。

3.2 數(shù)值仿真分析

利用有限元分析法對(duì)鈑金件的優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行演算，整個(gè)過(guò)程都具有動(dòng)態(tài)性的特點(diǎn)。下面本文主要通過(guò)數(shù)值仿真的方式，對(duì)鈑金件應(yīng)力集中進(jìn)行分析和優(yōu)化。

3.2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)翻邊高度

翻邊高度對(duì)于鈑金件的剛度而言具有至關(guān)重要的影響，不僅能夠?qū)ιa(chǎn)中的材料進(jìn)行節(jié)約，降低生產(chǎn)企業(yè)的成本，而且能夠增強(qiáng)鈑金件的質(zhì)量。通過(guò)有限元分析和優(yōu)化法，假設(shè)鈑金件具有完全彈性這一特質(zhì)，在受到外力影響后只存在變形現(xiàn)象，不會(huì)被完全破壞。通過(guò)A和B兩個(gè)實(shí)例對(duì)這一假設(shè)進(jìn)行分析。

A：有長(zhǎng)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(yīng)力集中點(diǎn)在鈑金件長(zhǎng)度250毫米和寬度20毫米處。通過(guò)仿真數(shù)據(jù)分析可知，在鈑金件長(zhǎng)度和作用力大小不變的情況下，其翻邊高度為45毫米時(shí)，最大變形量為0.2223毫米；翻邊高度為45毫米時(shí)，最大變形量為0.2223毫米；翻邊高度為40毫米時(shí)，最大變形量為0.38673毫米；翻邊高度為35毫米時(shí)，最大變形量為0.706毫米；翻邊高度為30毫米時(shí)，最大變形量為1.591毫米。

B：有長(zhǎng)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(yīng)力集中點(diǎn)在鈑金件長(zhǎng)度250毫米和寬度15毫米處。通過(guò)仿真數(shù)據(jù)分析可知，在鈑金件長(zhǎng)度和作用力大小不變的情況下，其翻邊高度為35毫米時(shí)，最大變形量為0.0923毫米；翻邊高度為30毫米時(shí)，最大變形量為0.126毫米；翻邊高度為25毫米時(shí)，最大變形量為0.4968毫米；翻邊高度為20毫米時(shí)，最大變形量為1.2087毫米。

3.2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)材料的厚度

在鈑金件的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，應(yīng)該對(duì)不同厚度的材料進(jìn)行分析，從而在提高鈑金件剛度的基礎(chǔ)上，降低生產(chǎn)加工的成本。

當(dāng)作用力和寬度相同時(shí)，不同厚度和翻邊高度會(huì)對(duì)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(qiáng)的剛度，因此在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，生產(chǎn)企業(yè)可以對(duì)鈑金件的橫截面積進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)厚鈑金件與薄鈑金件之間的替代，使產(chǎn)品的重量得到進(jìn)一步的控制，并且降低生產(chǎn)企業(yè)的成本。另外，常見的鈑金件設(shè)計(jì)有U型和L型，其截面形狀的不同會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中不同，而U型的剛度明顯比L型強(qiáng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)鈑金件應(yīng)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(yīng)力集中的原理及其優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，然后應(yīng)用有限元法對(duì)鈑金件剛度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究可得，在利用有限元法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，主要對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行構(gòu)建，設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)，最終利用自由形狀法對(duì)鈑金件的剛度進(jìn)行優(yōu)化。希望本文可以為研究鈑金件應(yīng)力集中有限元分析與優(yōu)化的相關(guān)人員提供參考。

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