焊點有限元仿真范文

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《現代制造技術與裝備雜志》2015年第一期

1優化模型

優化設計的數學模型可表述為。基于HyperWorks平臺的拓撲優化技術能在給定的設計空間內尋求最佳的材料分布，拓撲優化可以采用殼單元或者實體單元來定義設計空間，并用均勻化或密度方法定義材料的流動規律。結構拓撲優化的最大特點是能在不知道結構拓撲形狀的前提下，根據已知邊界條件和載荷條件確定合理的結構形狀，不涉及具體結構尺寸設計，但可以為設計人員提供最優的材料分布方案。設計區中每個單元密度是一個設計變量，優化結果中涉及區域內的單元密度一般是0~1分布的。均一密度約束可以強制每個設計區中的所有單元的單元密度一致，從而可以判定每個設計區的重要性。

2實例分析

圖3所示為一左端固定，右端受到2個集中力、一個扭矩作用，兩側采用點焊的鈑金構件，要求構件變形量最小即穩固，在哪里進行點焊最合適？

2.1建立模型（model）對于該實例首先建立有限元模型圖4所示，連接板采用Pshell單元，焊點采用CWELD單元。這里采用焊點冗余設計，以便接下來優化掉多余的焊點。這里均布8對焊點。

2.2定義設計空間（設計變量Designvariable）設計變量X是一矢量，它的選擇依賴于優化類型，對于本實例屬于1D拓撲優化，設計變量為焊點單元的密度，所以這里將所有8對焊點單元CWELD設置為設計變量。

2.3創建響應（Response）針對本實例多工況的條件下，采用加權應變能（WeightedCompliance可以認為是結構剛度的倒數）作為響應，它反應整個結構在多工況下的結構柔度。其值越大越易變形。其次，將體積分數作為響應，目的是在給定體積分數（相當于焊點數量）下進行優化。此處不是優化焊點數量，焊點數量優化需首先優化出位置。其取值范圍為0.0~1.0。它表示了拓撲優化相對于初始設計空間的分數。

2.4定義約束（Constrain）和目標（Objected）通過Optistruct中可靠的優化方法，搜索出最優的載荷路徑設計方案。在拓撲優化中，設計變量為單元的密度，目標為最小化應變能，約束為體積分數。這里要采用懲罰因子和容差來幫助焊點獲得一個離散的結果。

2.5設置載荷步（Loadsteps）采用靜態線性分析，由于是多工況條件，這里的載荷需采用組合載荷類型（Dload）。

2.6執行優化（Optistruct）提交Optistruct求解器進行優化求解。

3結果檢查

在定義體積分數響應時，其代表著保留8對焊點中的百分比如輸入0.5保留50%即為4對，圖5、圖6所示的是分別將體積分數約束設定為0.5和0.7得到的優化結果，即如果采用4對焊點，就按照圖5給出的位置進行焊接，圖6為保留70%焊點的最佳位置。對圖5給出的焊點位置與其它4對任意位置組合進行變形量比較，優化后的圖5給出的位移量最小，如圖7、圖8所示，這里只給出一種組合其他組合略。

4結束語

本文給出的是位置優化方法，如要進行數量優化，在位置確定的基礎上，只要將約束與目標重新設置，提交給求解器即可。

作者：閆思江 李凡國 王茂旗 陳春光 單位：青島港灣職業技術學院機械系