闫思江，韩晓玲，孙莉莉
（青岛港湾职业技术学院机械系，山东 青岛 266404）
摘要：基于OptiStruct求解器，对钣金件中出现的应力集中进行有限元分析与优化，在保证厚度一致的工艺要求下，给出应力集中区域的最佳几何形状，以提高其刚度和模态、降低应力集中，充分发挥材料的机械性能，为实际设计中的几何尺寸确定提供数值依据。
关键词：钣金；应力集中；形状优化中图分类号：TP391.7：TG38
0 引言
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。随着钣金件的应用越来越广泛，钣金件的设计成为产品开发过程中很重要的一环，机械工程师必须熟练掌握钣金件的设计技巧，使得钣金件的设计在满足产品的功能、外观等要求下，保证冲压工序简单、冲压模具制作容易、钣金冲压质量高、尺寸稳定等工艺设计要求。钣金加工工艺属冷加工工艺，包括剪、冲／切／复合、折、焊接、铆接、拼接、成型等。钣金件最显著的特征就是同一零件厚度一致，针对钣金件的工艺特点，本文采用有限元法对其中出现的应力集中进行分析、优化，以提高其刚度、降低应力集中。
1优化模型
优化设计的数学模型可表述为：
形状优化技术通过网格节点移动或者变形到某个新的位置，相当于改变了零件的CAD设计，从而提高其刚度、模态，降低应力集中等。本文采用自由形状优化，自由形状优化的基本思想与形状优化技术不同，其外部边界点的移动由软件根据上述优化模型在三维空间自动计算、确定，不需要用户定义节点扰动，只需选择边界节点集和设定边界节点变形方式，然后通过OptiStruct求解器自动确定具有最佳优化目标的边界几何形状，而内部节点会进行自适应变形从而减少单元扭曲。
2钣金件应力集中有限元分析与优化
本文以某厂生产的起钉器为例阐述其优化过程和方法。起钉器是钣金件，需对其进行受力分析，降低应力集中，提高强度、刚度，以便在使用时使其更加稳固。起钉器结构如图1所示。
2.1 建立起钉器几何模型
首先按照实际尺寸，利用三维造型软件Pro/E建立几何模型，如图2所示。根据实际使用情况，在不影响分析结果准确度的前提下，对几何模型进行适当的简化、网格划分、定义材料属性、约束、加载荷，得到有限元模型，如图3所示。
2.2预分析
进行预分析的目的是找到出现应力集中过大的区域。将有限元模型提交给求解器OptiStruct即可得到如图4、图5所示的应力、位移分布图。
2.3定义设计变量
设计变量X是一矢量，它的选择依赖于优化类型，本实例采用自由几何形状优化，设计变量为应力集中区域边界节点，实质上就是优化节点的几何坐标，如图6所示。
2.4创建响应
为了使应力计算更加准确，在应力集中区域（高应力区）先创建一层壳单元，同时在其上建立一局部坐标系，如图7所示。将该壳单元上的边界节点应力作为优化响应。
2.5 定义优化目标
在定义目标函数之前，最好先定义一个目标参照，通过该参照很容易控制所要优化的目标值与优化前的比值。这里我们关心的是几何形状，所以不设置该值。将应力最大值最小化设定为优化目标。
2.6执行优化
建立载荷步，采用静态线性分析，提交Optistruct求解器进行优化求解。观察优化区域的几何形状发现网格上翘，如图8所示，这对于钣金件是不允许的，必须对边界节点进行约束，迫使其在同一平面内移动，方法是通过Gridcon子面板设置网格移动类型为Planar，重新计算。在满足钣金件工艺要求（厚度一致）的约束下，改变几何形状以降低应力集中，其最终的优化结果如图9所示。
3结束语
本文采用自由形状优化方法来降低钣金件中的应力集中，但对铸件、锻件等就不一定需要加平面约束。另外优化后的边界节点坐标(x，y)可通过后处理软件HyperView很容易得到，将其作为设计参考尺寸。
