焊点有限元仿真范文

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《现代制造技术与装备杂志》2015年第一期

1优化模型

优化设计的数学模型可表述为。基于HyperWorks平台的拓扑优化技术能在给定的设计空间内寻求最佳的材料分布，拓扑优化可以采用壳单元或者实体单元来定义设计空间，并用均匀化或密度方法定义材料的流动规律。结构拓扑优化的最大特点是能在不知道结构拓扑形状的前提下，根据已知边界条件和载荷条件确定合理的结构形状，不涉及具体结构尺寸设计，但可以为设计人员提供最优的材料分布方案。设计区中每个单元密度是一个设计变量，优化结果中涉及区域内的单元密度一般是0~1分布的。均一密度约束可以强制每个设计区中的所有单元的单元密度一致，从而可以判定每个设计区的重要性。

2实例分析

图3所示为一左端固定，右端受到2个集中力、一个扭矩作用，两侧采用点焊的钣金构件，要求构件变形量最小即稳固，在哪里进行点焊最合适？

2.1建立模型（model）对于该实例首先建立有限元模型图4所示，连接板采用Pshell单元，焊点采用CWELD单元。这里采用焊点冗余设计，以便接下来优化掉多余的焊点。这里均布8对焊点。

2.2定义设计空间（设计变量Designvariable）设计变量X是一矢量，它的选择依赖于优化类型，对于本实例属于1D拓扑优化，设计变量为焊点单元的密度，所以这里将所有8对焊点单元CWELD设置为设计变量。

2.3创建响应（Response）针对本实例多工况的条件下，采用加权应变能（WeightedCompliance可以认为是结构刚度的倒数）作为响应，它反应整个结构在多工况下的结构柔度。其值越大越易变形。其次，将体积分数作为响应，目的是在给定体积分数（相当于焊点数量）下进行优化。此处不是优化焊点数量，焊点数量优化需首先优化出位置。其取值范围为0.0~1.0。它表示了拓扑优化相对于初始设计空间的分数。

2.4定义约束（Constrain）和目标（Objected）通过Optistruct中可靠的优化方法，搜索出最优的载荷路径设计方案。在拓扑优化中，设计变量为单元的密度，目标为最小化应变能，约束为体积分数。这里要采用惩罚因子和容差来帮助焊点获得一个离散的结果。

2.5设置载荷步（Loadsteps）采用静态线性分析，由于是多工况条件，这里的载荷需采用组合载荷类型（Dload）。

2.6执行优化（Optistruct）提交Optistruct求解器进行优化求解。

3结果检查

在定义体积分数响应时，其代表着保留8对焊点中的百分比如输入0.5保留50%即为4对，图5、图6所示的是分别将体积分数约束设定为0.5和0.7得到的优化结果，即如果采用4对焊点，就按照图5给出的位置进行焊接，图6为保留70%焊点的最佳位置。对图5给出的焊点位置与其它4对任意位置组合进行变形量比较，优化后的图5给出的位移量最小，如图7、图8所示，这里只给出一种组合其他组合略。

4结束语

本文给出的是位置优化方法，如要进行数量优化，在位置确定的基础上，只要将约束与目标重新设置，提交给求解器即可。

作者：闫思江 李凡国 王茂旗 陈春光 单位：青岛港湾职业技术学院机械系