鈑金件具有重量輕、強度高、成本低、大規(guī)模量產等特點，在電子電器、通信、汽車工業(yè)、醫(yī)療器械等領域得到了廣泛應用，如在電腦機箱、手機中，鈑金是必不可少的組成部分。隨著鈑金件的應用越來越廣泛，鈑金件的設計成為產品開發(fā)過程中很重要的一環(huán)，機械工程師必須熟練掌握鈑金件的設計技巧，使得鈑金件的設計在滿足產品的功能、外觀等要求下，保證沖壓工序簡單、沖壓模具制作容易、鈑金沖壓質量高、尺寸穩(wěn)定等工藝設計要求。鈑金加工工藝屬冷加工工藝，包括剪、沖／切／復合、折、焊接、鉚接、拼接、成型等。鈑金件最顯著的特征就是同一零件厚度一致，針對鈑金件的工藝特點，本文采用有限元法對其中出現(xiàn)的應力集中進行分析、優(yōu)化，以提高其剛度、降低應力集中。

1優(yōu)化模型

優(yōu)化設計的數學模型可表述為：

形狀優(yōu)化技術通過網格節(jié)點移動或者變形到某個新的位置，相當于改變了零件的CAD設計，從而提高其剛度、模態(tài)，降低應力集中等。本文采用自由形狀優(yōu)化，自由形狀優(yōu)化的基本思想與形狀優(yōu)化技術不同，其外部邊界點的移動由軟件根據上述優(yōu)化模型在三維空間自動計算、確定，不需要用戶定義節(jié)點擾動，只需選擇邊界節(jié)點集和設定邊界節(jié)點變形方式，然后通過OptiStruct求解器自動確定具有最佳優(yōu)化目標的邊界幾何形狀，而內部節(jié)點會進行自適應變形從而減少單元扭曲。

2鈑金件應力集中有限元分析與優(yōu)化

本文以某廠生產的起釘器為例闡述其優(yōu)化過程和方法。起釘器是鈑金件，需對其進行受力分析，降低應力集中，提高強度、剛度，以便在使用時使其更加穩(wěn)固。起釘器結構如圖1所示。

2.1 建立起釘器幾何模型

首先按照實際尺寸，利用三維造型軟件Pro/E建立幾何模型，如圖2所示。根據實際使用情況，在不影響分析結果準確度的前提下，對幾何模型進行適當的簡化、網格劃分、定義材料屬性、約束、加載荷，得到有限元模型，如圖3所示。

2.2預分析

進行預分析的目的是找到出現(xiàn)應力集中過大的區(qū)域。將有限元模型提交給求解器OptiStruct即可得到如圖4、圖5所示的應力、位移分布圖。

2.3定義設計變量

設計變量X是一矢量，它的選擇依賴于優(yōu)化類型，本實例采用自由幾何形狀優(yōu)化，設計變量為應力集中區(qū)域邊界節(jié)點，實質上就是優(yōu)化節(jié)點的幾何坐標，如圖6所示。

2.4創(chuàng)建響應

為了使應力計算更加準確，在應力集中區(qū)域（高應力區(qū)）先創(chuàng)建一層殼單元，同時在其上建立一局部坐標系，如圖7所示。將該殼單元上的邊界節(jié)點應力作為優(yōu)化響應。

2.5 定義優(yōu)化目標

在定義目標函數之前，最好先定義一個目標參照，通過該參照很容易控制所要優(yōu)化的目標值與優(yōu)化前的比值。這里我們關心的是幾何形狀，所以不設置該值。將應力最大值最小化設定為優(yōu)化目標。

2.6執(zhí)行優(yōu)化

建立載荷步，采用靜態(tài)線性分析，提交Optistruct求解器進行優(yōu)化求解。觀察優(yōu)化區(qū)域的幾何形狀發(fā)現(xiàn)網格上翹，如圖8所示，這對于鈑金件是不允許的，必須對邊界節(jié)點進行約束，迫使其在同一平面內移動，方法是通過Gridcon子面板設置網格移動類型為Planar，重新計算。在滿足鈑金件工藝要求（厚度一致）的約束下，改變幾何形狀以降低應力集中，其最終的優(yōu)化結果如圖9所示。