钣金件应力集中有限元分析与优化

邓伟彬

摘 要：文章就钣金件应力集中有限元分析与优化进行研究，首先就钣金件及钣金件应力集中进行分析，然后阐述钣金件优化设计的理论依据，最后通过构建优化模型和数值仿真分析，对钣金件应力集中进行有限元分析，并且对钣金件的刚度进行优化，从而提高钣金件的应用水平。

关键词：钣金件；应力集中；有限元分析

中图分类号：TG38 文献标志码：A 文章编号：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

钣金件是工业生产领域广泛应用的零件，其刚度会受到很多因素的影响，因此在生产制造的过程中必须应用有限元法进行分析，从而设计出最佳的钣金件生产形状，提高钣金件在各项应用领域的刚度和强度。钣金件最主要的特点是制作成本低、强度高、重量轻，因此能够实现大规模的生产和加工，现阶段广泛应用于手机、电脑、空调、飞机等生产领域。为进一步提升应用水平，研究这一课题是很有必要的。

1 钣金件应力集中分析

1.1 钣金件概述

钣金件是一种具有显著优势的金属元件，主要采用钣金冲压的生产方式生产而成，在社会各领域都具有广泛的应用，例如航空航天领域、通信领域、电子电器领域、医疗器械领域、汽车工业领域等。钣金件最显著的应用优势由以下几方面构成，分别是制作成本低、强度高、重量轻，由于钣金冲压的制作方法已经具有悠久的发展历史，因此钣金件制作的工艺流程也相对比较成熟，不仅能够满足各项产品的性能需求，还能够满足产品的外观设计。钣金件的钣金冲压加工方式是一种具有综合性特征的冷加工方式，主要应用到的加工方式有焊接、拼接、冲切复合、铆接等。

1.2 钣金件应力集中概述

应力集中属于弹性力学中的概念和内容，指的是某物体的局部存在应力集中并增高的现象，从而导致物体的刚度受到影响，使物体局部变得脆弱，从而发生变形和位移。这一现象主要存在于高刚性的物质中，钣金件作为一种刚度较强的元件，因此存在應力集中这一现象，主要表现为钣金件应力集中位置发生静载断裂。当钣金件发生应力集中现象时，钣金件应力点的应力会逐渐增强，而应力点的间距会逐渐下降，这时钣金件的形状就会发生变化。为了增强钣金件的刚度和强度，在设计的过程中需要对钣金件的应力集中现象进行深入分析和研究，确定影响钣金件强度的各项因素，并且给予针对性的解决[1]。

2 钣金件优化设计的理论依据分析

有限元分析法伴随计算机发展而产生，主要通过计算机技术对钣金件设计和制作过程中的各项数值进行采集和分析，以定量分析的方法制定出合理的优化设计方案。对于钣金件的应力集中而言，有限元分析法能够通过数据分析对可能存在的局部断裂、表面褶皱、局部减薄等生产不足进行预测，从而提高钣金件的设计水平和生产质量。就目前有限元分析法的应用现状来看，不仅能够提高产品的质量，还能够使企业的生产成本得到控制，从而获得更大的经济效益和竞争实力。本文对有限元分析法的应用主要集中于两个方面，一方面是优化钣金件的强度，另一方面是调整钣金件的厚度，实现不同厚度零件的交替使用，从而使企业的成本得到进一步的降低，并且保障钣金件的生产质量。

3 钣金件应力集中有限元分析与优化

3.1 构建优化模型

3.1.1 几何模型。根据钣金件应力集中的原理，其优化模型的构建主要依据网格节点的变形位置和位移位置，对钣金件的CAD设计进行改造，主要目的是提高钣金件的刚度、强度和模态，从而减小应力集中带来的影响。利用数据模型对钣金件应力集中现象进行表示，可以表示为（x）=（x1，x2，x3…xn），这是对设计模型最小化的表示，其中钣金件的设计变量由x表示，而（x）则是优化模型的目标函数。通过OptiStruct求解器这一软件，对这一优化模型进行套用，能够构建出一个三维立体的计算空间，这个空间中的计算不会受到网络节点的影响，因此在优化模型的设计中可以通过代入变量值，确定优化模型的目标，对存在应力集中情况的边界几何形状进行自动确定，从而使钣金件内部的各个网络节点能够随着应力的变化而得到优化，从而增强钣金件的刚度和强度。例如在对起钉器的钣金件进行优化模型设计时，可以根据起钉器的结构特点，对材料属性、网格划分、加载和等因素进行综合，并且在Pro/E这一软件中得到优化模型。

3.1.2 预分析及变量设计。利用有限元法分析和优化钣金件的结构时，必须通过预分析得到钣金件应力集中的具体区域，然后利用OptiStruct求解器这一软件获取应力值和位置值。根据几何模型构建的公式可知，钣金件的设计属于变量，因此在钣金件的优化设计中需要对钣金件的设计给予充分的重视。根据OptiStruct求解器分析可得，钣金件的应力主要集中在元件的边界区域，因此有限元优化就等用于钣金件边界区域中各个网络节点的优化。为了构建准确的应力集中几何坐标，采用分层建立单元坐标的方式，将钣金件边界节点的应力作为各个单元坐标的应力，实现相互之间的响应。

3.1.3 优化目标及执行。为了使优化目标的制定更加精确，必须对优化目标的参照物进行明确，并且根据这一参照物确定优化目标的比例，然后对优化目标进行执行。在执行优化目标的过程中，主要采用的方法是静态线性分析法，仍然使用OptiStruct求解器对优化目标的数值进行确定，然后对得到优化区域的钣金件形状进行观察，如果发生网格不对称或者上翘的现象，就要对应力集中边界区域的网络节点进行约束处理，从而保证各个节点都能够在可控制的范围内进行位移。约束边界区域的网络节点主要采用Grideon法，通过子面板对网络节点的移动范围、位置和类型进行设置，并且严格根据钣金件的工艺需求，对优化解进行计算，从而保证其厚度和形状能够满足优化目标，获得最大强度，减少应力集中对钣金件带来的影响[2]。

3.2 数值仿真分析

利用有限元分析法对钣金件的优化目标进行演算，整个过程都具有动态性的特点。下面本文主要通过数值仿真的方式，对钣金件应力集中进行分析和优化。

3.2.1 优化设计翻边高度。翻边高度对于钣金件的刚度而言具有至关重要的影响，不仅能够对生产中的材料进行节约，降低生产企业的成本，而且能够增强钣金件的质量。通过有限元分析和优化法，假设钣金件具有完全弹性这一特质，在受到外力影响后只存在变形现象，不会被完全破坏。通过A和B两个实例对这一假设进行分析。

A：有长度、宽度和厚度分别为500毫米、40毫米、2毫米的钣金件，其外载荷为1500千克，应力集中点在钣金件长度250毫米和宽度20毫米处。通过仿真数据分析可知，在钣金件长度和作用力大小不变的情况下，其翻边高度为45毫米时，最大变形量为0.2223毫米；翻边高度为45毫米时，最大变形量为0.2223毫米；翻边高度为40毫米时，最大变形量为0.38673毫米；翻边高度为35毫米时，最大变形量为0.706毫米；翻边高度为30毫米时，最大变形量为1.591毫米。

B：有长度、宽度和厚度分别为500毫米、30毫米、2毫米的钣金件，其外载荷为500千克，应力集中点在钣金件长度250毫米和宽度15毫米处。通过仿真数据分析可知，在钣金件长度和作用力大小不变的情况下，其翻边高度为35毫米时，最大变形量为0.0923毫米；翻边高度为30毫米时，最大变形量为0.126毫米；翻边高度为25毫米時，最大变形量为0.4968毫米；翻边高度为20毫米时，最大变形量为1.2087毫米。

3.2.2 优化设计材料的厚度

在钣金件的优化设计中，应该对不同厚度的材料进行分析，从而在提高钣金件刚度的基础上，降低生产加工的成本。通过数据仿真分析，可以得到表1数据。

表1 钣金件厚度不同时的数据仿真分析

通过表1的仿真数据分析可得，当作用力和宽度相同时，不同厚度和翻边高度会对钣金件的刚度造成影响，而厚度较小的钣金件相比厚度高的钣金件能够拥有刚强的刚度，因此在实际的设计过程中，生产企业可以对钣金件的横截面积进行调整，从而实现厚钣金件与薄钣金件之间的替代，使产品的重量得到进一步的控制，并且降低生产企业的成本。另外，常见的钣金件设计有U型和L型，其截面形状的不同会导致应力集中不同，而U型的刚度明显比L型强[3]。

4 结束语

综上所述，针对钣金件应力集中有限元分析与优化的探究是非常必要的。本文主要分析钣金件应力集中的原理及其优化设计的理论依据，然后应用有限元法对钣金件刚度进行优化设计。研究可得，在利用有限元法进行优化设计时，主要对优化模型进行构建，设定优化目标，最终利用自由形状法对钣金件的刚度进行优化。希望本文可以为研究钣金件应力集中有限元分析与优化的相关人员提供参考。

参考文献：

[1]孙志宏，庄璐玮.基于PAM-STAMP2G的钛合金钣金零件橡皮囊成形有限元模拟[J].机械制造与自动化，2016，45（04）：84-86+103.

[2]闫思江，韩晓玲，孙莉莉.钣金件应力集中有限元分析与优化[J].机械工程与自动化，2016（02）：118-119.

[3]董宏达.基于CAE平台的空调外机钣金件结构优化设计[A].中国家用电器协会.2015年中国家用电器技术大会论文集[C].中国家用电器协会，2015，6.