abaqus強度優化的案例
基于ABAQUS和Isight的液壓支架底座強度分析與優化
摘 要：為了降低某液壓支架底座工作時的最大應力，提高其安全性，使用ABAQUS軟件對3種工況下的底座進行強度分析，找出底座的薄弱點。對底座重新進行參數化建模，使用Isight軟件聯合Catia和ABAQUS對底座進行優化分析。優化后，液壓支架底座在3種工況下最大應力值有顯著降低，且整體重量下降9.7%.對液壓支架底座的分析與優化，降低了底座的最大應力，提高了其安全性；同時實現了底座的輕量化，提高了其經濟性。
關鍵詞：液壓支架;底座;ABAQUS;Isight;安全性;輕量化;
液壓支架是廣泛應用的煤礦機械，在煤炭開采過程中，不僅提高了礦井的安全性，也提高了煤炭的開采效率。液壓支架主要由底座、連桿機構、掩護梁、頂梁及控制元件組成，底座是液壓支架的關鍵部件[1]. 李海寧等[2] 僅研究了某液壓支架底座的強度，并未進行優化。萬麗榮等[3]研究了沖擊載荷作用下液壓支架關鍵零件及底座的受力及強度。田立勇等[4]研究了各工況下液壓支架底座的強度及不同板厚對底座強度的影響，并簡單進行優化。以上對底座的研究主要集中在強度分析方面，優化方面的研究比較少。底座的安全性和輕量化在傳統設計中往往不能兼顧?；谇叭说难芯?，本文使用ABAQUS軟件和Isight軟件對某液壓支架底座進行強度及優化分析，在提高底座安全性的同時，實現底座的輕量化。
1 某液壓支架底座強度分析
液壓支架底座在井下受力較為復雜，為了分析底座的強度，提取底座的3種典型工況進行分析。
1) 工況1:支架底座兩端受扭轉載荷。
2) 工況2:支架底座左側受偏載荷。
3) 工況3:支架底座右側受偏載荷。
1.1 簡化模型
為了提高強度分析的效率，在分析前對底座進行簡化。
底座主體結構由鋼板焊接而成，鋼板間的焊縫強度視為與鋼板相同。去掉對強度影響不大的孔、倒角等結構。
展開 結構優化：利用Hyperstudy實現盒子尺寸和形狀優化，達到滿足強度要求 ￥15
結構優化：利用Hyperstudy實現盒子尺寸和形狀優化，達到滿足強度要求
CAE仿真對公交客車的強度分析與優化
然后對結構設計不合理的區域進行優化。根據以上分析針對四個應力集中區域分別改進設計。主要優化措施如下：
（1）將上下兩端立柱對齊，減少上下兩個立柱之間交叉形成的剪切力。
（2）改進中門立柱處連接形式。
（3）加強頂蓋橫梁與縱梁之間的連接。
（4）增大后縱梁材料厚度和垂向高度。將厚度由初始設計的4mm增大到5mm，同時將縱梁垂向高度h增大10mm。
根據以上優化方案，改進結構后重新進行四個工況的強度分析，可見幾個區域的應力有了比較明顯的改變，最大應力大小由原始結構的超過300MPa，減小到200MPa左右，滿足強度要求，達到了較好的效果。下圖是經過更改后的四個局部區域結構應力分布云圖。
側圍后立柱更改后應力
中門立柱結構更改后應力
頂蓋接頭增強后應力
后縱梁更改后應力
結論
本文應用有限元方法分析了一款8米城市公交客車骨架的強度，通過四種典型工況的評估，找到結構應力集中的區域，并優化改進這些區域的局部結構，改善了應力集中情況，實現了強度設計目標。通過應用HyperWorks輔助設計，可以大大提高設計效率，減少試驗次數，降低研發成本，獲得可觀的效益。
展開 基于HyperWorks 的撥叉強度分析及拓撲優化
本文基于HyperWorks 平臺對某SUV 離合器撥叉在產品
開發階段強度計算和有限元模擬，得到了零件的應力和變形分布，并通過拓撲優化對撥叉進行
改進，優化后的撥叉不僅應力大為下降，質量也有所減輕，在設計階段就實現了輕量化，縮短
了該零件的開發周期，為撥叉的設計提供了很有效的方法。
鄧磊_基于HyperWorks的撥叉強度分析及拓撲優化.pdf
管道疲勞強度分析及優化(Ansys Workbench)
（３）為求解組合（Solution Combination）添加Fatigue Tool，并將載荷類型定義為“非比例”（Non‐Proportional），疲勞強度因子設置為0.8。
（４）定義疲勞壽命（Life），求解疲勞壽命大小。
1.4 恒定振幅疲勞分析
為了對比結果，首先對于環境一進行不考慮螺栓預緊力的靜力計算，得到管道的最大von Mises應力值為121.85MPa，最大von Mises應力出現在螺栓根部。結果表明在受到液體作用力時，螺栓根部是最危險的位置，vonMises應力云圖如圖4所示，管道的整體變形云圖如圖5所示。由變形云圖可以看出，上法蘭表面各個螺栓之間產生的變形較大，當管道受到載荷作用，管道的上下法蘭面有分離趨勢，有螺栓的部分由于受到螺栓限制，變形相對小一些。在環境一靜力計算的基礎上，添加Fatigue Tool模塊，設置疲勞強度因子為0.8，由于管道在實際工作中只受到一個方向的作用力，載荷比率R設置為0，管道受到脈動循環載荷，載荷比率曲線如圖6所示。
2 螺栓預緊力優化
ANSYS 本身具有進行優化分析計算的模塊，Direct Optimization（Beta）（直接優化工具）、Goal Driven Optimization（多目標驅動優化工具）、Parameters Correlation（參數相關性優化分析工具）等。在這些工具中用戶定義的設計變量主要是尺寸參數，目標函數是應力結果，而本文的設計變量是螺栓預緊力，目標函數為疲勞壽命，不能采用相應的優化分析模塊進行計算。具體優化步驟流程如圖7所示。
在ANSYS Workbench 有限元計算中，疲勞模塊（Fatigue Tool）采用的原理是名義應力法。
展開 專用汽車結構拓撲優化設計及強度分析
專用汽車結構拓撲優化設計及強度分析
專用汽車結構拓撲優化設計及強度的分析.part1.rar
專用汽車結構拓撲優化設計及強度的分析.part2.rar
MSCNastran優化功能在結構強度設計中的應用
對某型飛機機翼主梁,以MSC Patran、 MSC Nastran 為基本工具,對其結構進行優化設計. 優化后的結構重量、梁緣條面積、梁腹板厚度滿足工程實際要求;通過有限元分析,翼尖擾度也滿足變形要求.
MSCNastran優化功能在結構強度設計中的應用.pdf
基于ASTM D5656的航空級膠粘劑剪切強度測試優化方案
兩組試樣應力-應變曲線對比
圖5總結了試驗結果，顯示兩種試驗方法中，FPL表面處理均提高了剪切強度。D5656試驗中強度提高了48%，D1002試驗中提高了35%。另一現象為無論鋁表面如何處理，D5656方法測得的剪切強度均更高。對于僅噴砂試樣，D5656試驗剪切強度比D1002方法高91%；FPL處理后，這一差異增至109%。這與D5656試驗中使用的試樣厚度更大有關，更大厚度提供更高剛度，減少了試驗中接頭的彎曲與扭轉，有利于膠層中剪切狀態更均勻。
圖5. 兩種鋁表面處理方法制備的接頭剪切強度對比，分別采用D5656與D1002方法測試
此處需考慮不同的剪切模量計算修正因子。表5為按公式5（修正因子1）與公式6、7、8（修正因子2）修正后的模量結果。
表5. 兩組試樣采用上述修正后的剪切模量對比
按修正因子1計算的模量與僅按D5656標準計算的結果相近。僅噴砂試樣平均模量提高了1.7%，FPL處理后提高了2.5%。而修正因子2使模量值分別降低了6.1%與7.3%。應用修正因子會改變結果，可能導致試驗與應用性能之間的差異。修正因子尚未被D5656標準認可，因此僅按該標準計算的值被普遍接受。然而，部分研究人員使用修正因子，表明該領域仍在發展。
3. 結論
膠粘劑剪切試驗結果驗證了以下結論：
（1）噴砂與FPL工藝聯合作為鋁表面處理手段，對膠接剪切強度有積極影響。相比僅噴砂，FPL處理后，D1002與D5656試驗測得的剪切強度分別提高了35%與48%。
（2）FPL處理提高了接頭均勻性。兩種試驗中，FPL處理試樣的剪切強度變異系數更低——D5656試驗中為2.13%，而僅噴砂為5.94%。
（3）對比D1002與D5656試驗方法，后者所得值更高，更接近膠粘劑理論剪切強度。
展開 乘用車前擺臂和副車架的強度分析及優化
4 副車架的優化與驗證
4.1 副車架結構優化
通過上述對副車架結構的有限元分析，己反映出副車架原結構設計中存在的不足。因此，可綜合副車架結構強度分析結果，對分析所得的危險部位從結構角度進行優化。在結構的強度分析中，副車架在制動工況下其最大應力值超過了材料的屈服極限，其最大應力發生在副車架上板的左右，故以副車架上板為副車架結構優化和改進的主要目標。所用優化方式主要為在應力集中處加一塊加強板，以實現提高強度作用。基于上述思想，結構經優化后的副車架有限元模型如圖11所示。
圖11 優化后副車架有限元模型
4.2 優化后結構強度分析
優化后提交計算后的結果如圖12所示。
圖12 優化后各工況下應力云圖
經過上述分析計算，可獲得優化后副車架各工況下的最大應力值如表8所示。
從優化前后副車架最大應力值對比來看，在加上加強板之后，副車架在制動工況下的最大應力值大大的降低了，且轉彎工況和沖擊工況的應力也有不同情況的減小。通過對副車架的優化，副車架在不同工況下都滿足了強度要求。
表8 各工況下副車架應力結果
工況
最大應力、MPa
減低率/%
轉彎
101.7
43.9
制動
274.9
19.4
沖擊
95.05
15.5
5 結果與討論
本文以某乘用車的前擺臂和副車架為研究對象，通過綜合分析副車架結構的結構強度計算結果，獲得原設計方案中的薄弱結構主要集中于副車架上板左右兩端，故從結構角度添加加強板，對該薄弱位置進行優化和改進。對結構優化后的設計方案再次分析計算，結果顯示對副車架上板左右兩端位置優化改進后滿足副車架的強度要求。
展開 Moldex3D模流分析之緊固件產品不可或缺的強度優化方法
模擬結果可幫助他們決定最佳的閥澆口數量及位置，并優化冷流道系統設計，以達到流動平衡，進而節省閥澆口的成本。
效益
在設計初期找出最佳澆口位置
節省修改成本，趕上項目時程
解決短射問題
案例研究
根據工具設計的最佳做法，每120毫米應有一個澆口，以確保適當的流動。最初STANLEY Engineered Fastening團隊依據此準則選擇了三個閥門澆口，但必須決定設置的位置以獲得最佳性能。此外在塑料注射成型過程中，如果未選擇正確的澆口位置，可能會發生短射缺陷。為了克服這個問題，STANLEY團隊使用Moldex3D驗證澆口貢獻并對調整澆口位置進行相應的調整。
在利用Moldex3D進行了幾次迭代后，STANLEY團隊找到最佳的閥門澆口數(3)和澆口位置，如圖一及圖二所示。
圖一 初始澆口系統(閥澆)
圖二 初始澆口系統(閥澆)及其流動波前模擬結果
而由于閥澆口的成本較高，客戶要求更經濟的解決方案。因此STANLEY團隊轉而尋求流動更平衡的流道系統，并以Moldex3D進行分析驗證。圖三顯示從澆道入口到澆口2的距離比澆口1和3更近，因此設計了特殊流道系統，使塑料熔體可同時在三個澆口位置進入模具。優化后的澆口系統流動波前仿真如圖四所示。
圖三 優化后的澆口系統(冷流道)
圖四 優化后的澆口系統(冷流道)及流動波前結果
圖五顯示了具有三個閥門澆口的填充方式(材料數據：PP-SABIC PP PHC26 (MFI = 8g / 10min))。 圖六則呈現冷流道系統的填充方式，這種設計使三個閘門的操作與直接三閘門系統非常相似(材料數據：PP – TAIRIPROK4535 (MFI = 35g / 10min))。結果顯示，藉由在澆口位置附近添加肋條來對產品進行小的設計更改，此肋條可使產品充填得更快。
展開 斯姆勒 5.21-24 西安 | ANSYS工程結構強度、剛度、非線性分析及結構優化工程應用高級培訓
ANSYS 工程結構強度、剛度、非線性分析及結構優化工程應用高級培訓
一、培訓目標
（一）、理解有限元分析計算的原理；
（二）、掌握ANSYS workbench軟件的使用功能和操作流程；
（三）、掌握工程結構強度、剛度的分析方法和非線性分析技巧；
（四）、掌握工程結構優化設計（拓撲優化、尺寸優化）分析方法；
（五）、培養獨立工程結構的力學分析能力。
二、增值服務
1、贈送培訓同屏錄制高清視頻（價值2680元），可反復學習。
2、參與學員均免費注冊為雅典娜仿真技術共享云平臺會員，贈送仿真技術視頻數百G仿真技術視頻；
3、持本人學生證或教師證享有9折優惠；一個單位同時報名2人享有9折優惠； 一個單位同時報名3人以上（含）享有8.5折優惠。
4、參與學員及單位均可享受雅典娜云平臺所有課程7折優惠。
5、單次課程參與培訓人數5人及以上，可安排就近城市開課。
三、主講老師
寧老師，斯姆勒數值仿真技術研究院首席專家，西安交通大學航空航天學院力學博士，多年上市機械企業結構負責人，18年的軟件工程應用經驗；長期從事有限元領域國家重大項目研究，發表論文20余篇，獲得專利11項，開發有限元軟件4項，具有資深的技術底蘊和專業背景；擅長靜力學，模態分析，隨機振動/譜分析，隱/顯式動力學分析，轉子動力學分分析、疲勞分析，線性/非線性屈曲分析，斷裂力學分析，壓電分析，復合材料分析，熱分析，流體力學分析，多場耦合分析，ANSYS二次開發等仿真分析。
展開 
3月26-28日 線上+西安 | Workbench結構強度、剛度計算、穩定性分析與優化設計
結構優化設計
1、概述
2、優化三要素
3、優化算法解析
4、優化計算設置技巧
5、全局最優解的求解策略
工程實例-1：桁架結構優化計算的ANSYS Workbench與APDL聯合仿真（與sci論文結果作比較）
工程實例-2：考慮動力特性的階梯軸的輕量化設計
備注
1、開課前老師會針對學員反饋的技術問題進行分析，對共性問題在課堂中老師會與學員共同分析探討、個性問題將在課下單獨交流。
【12月21-24日 成都】結構強度、剛度與輕量化優化設計專題培訓
結構強度、剛度與輕量化優化設計專題培訓
23個實例模型課程中人手一機操作指導
案例01：簡支梁結構的有限元計算
案例02：自定義材料和材料庫的建立、調用演示實例
案例03：復雜模型的修改和簡化
案例04：利用運動副連接的活塞機構計算
案例05：復雜裝配體的網格劃分技巧
案例06：懸臂結構的靜力分析及后處理技巧
案例07：桁架結構受力分析
案例08：套筒預緊力分析工程實例
案例09：應力集中分析
案例10：開孔方板受力分析
案例11：螺栓預緊連接結構強度計算
案例12：鉗型零件的子模型計算方法
案例13：齒輪動力學計算
案例14：鋼架結構線性屈曲分析工程實例
案例15：實體結構的輕量化設計
案例16：柱體薄壁鋼結構的非線性屈曲計算
案例17：機械支撐結構模態計算
案例18：橡膠支撐預應力模態計算
案例19：懸臂支架結構的三維優化分析
案例20：懸臂結構的制造約束優化設計
案例21：工程機械的兩種瞬態動力學計算 （完全法和模態疊加法）
案例22：連桿結構的輕量化優化設計
案例23：循環載荷作用下金屬材料的滯回曲線分析
課程差異化
1、專注CAE仿真計算，13年大量的工程案例積累
2、7000多學員反饋、提煉的精選內容與實例，形成的版權課程體系
3、有自己的超算中心，有豐富的項目案例庫
主講專家
首席專家，力學博士，17年的軟件工程應用經驗；長期從事有限元領域國家重大項目研究，獲得專利11項，開發軟件4項，具有資深的技術底蘊和專業背景；擅長靜力學，模態分析，隨機振動/譜分析，瞬態動力學時程分析，轉子動力學分析、線性/非線性后屈曲分析，斷裂力學分析，壓電分析，熱分析，顯式動力學分析，流體力學分析，多場耦合分析，ANSYS二次開發等仿真分析。
展開 【9月7-9日 鄭州 斯姆勒】ANSYS工程結構強度、剛度分析與優化設計基礎培訓
本次培訓為ANSYS workbench工程結構的強度/剛度及優化設計的基礎培訓，全面系統地講解有限元分析計算的原理，ANSYS軟件的功能和操作流程，工程結構的強度、剛度的分析技巧結構拓撲優化等分析方法和常見工程熱點和難點問題的處理措施，基于理論聯系實際的培訓思想，通過實例強化軟件的使用幫助設計人員解決具體的工程結構力學問題。特舉辦“ANSYS工程結構強度、剛度分析與優化設計基礎培訓”工程實例培訓，具體內容如下：
一、培訓目標：
（一）、理解有限元分析計算的原理；
（二）、掌握ANSYS workbench軟件的使用功能和操作流程；
（三）、掌握工程結構強度、剛度的分析方法和技巧；
（四）、掌握工程結構優化設計（拓撲優化、尺寸優化）分析方法；
（五）、培養獨立工程結構的力學分析能力。
二、增值服務：
1、贈送培訓同屏錄制高清視頻（價值2680元）
2、贈送資料包；
3、持本人學生證或教師證享有8.5折優惠；一個單位同時報名2人享有9折優惠； 一個單位同時報名3人以上（含）享有8.5折優惠。
三、主講老師簡介：
寧老師，首席專家，西安交通大學航空航天學院力學博士，多年上市機械企業結構負責人，18年的軟件工程應用經驗；長期從事有限元領域國家重大項目研究，發表論文20余篇，獲得專利11項，開發有限元軟件4項，具有資深的技術底蘊和專業背景；擅長靜力學，模態分析，隨機振動/譜分析，隱/顯式動力學分析，轉子動力學分分析、疲勞分析，線性/非線性屈曲分析，斷裂力學分析，壓電分析，復合材料分析，熱分析，流體力學分析，多場耦合分析，ANSYS二次開發等仿真分析。善于利用ANSYS進行二次開發解決特定領域科研/工程問題。
展開 【7月18日-21日 北京】結構強度、剛度與輕量化優化設計專題培訓
一、23個實例模型課程中人手一機操作指導：
案例01：簡支梁結構的有限元計算
案例02：自定義材料和材料庫的建立、調用演示實例
案例03：復雜模型的修改和簡化
案例04：利用運動副連接的活塞機構計算
案例05：復雜裝配體的網格劃分技巧
案例06：懸臂結構的靜力分析及后處理技巧
案例07：桁架結構受力分析
案例08：套筒預緊力分析工程實例
案例09：應力集中分析
案例10：開孔方板受力分析
案例11：螺栓預緊連接結構強度計算
案例12：鉗型零件的子模型計算方法
案例13：齒輪動力學計算
案例14：鋼架結構線性屈曲分析工程實例
案例15：實體結構的輕量化設計
案例16：柱體薄壁鋼結構的非線性屈曲計算
案例17：機械支撐結構模態計算
案例18：橡膠支撐預應力模態計算
案例19：懸臂支架結構的三維優化分析
案例20：懸臂結構的制造約束優化設計
案例21：工程機械的兩種瞬態動力學計算 （完全法和模態疊加法）
案例22：連桿結構的輕量化優化設計
案例23：循環載荷作用下金屬材料的滯回曲線分析
二、課程差異化：
1、專注CAE仿真計算，13年大量的工程案例積累
2、7000多學員反饋、提煉的精選內容與實例，形成版權課程體系
3、有自己的超算中心，有豐富的項目案例庫
三、主講專家：
首席專家，力學博士，17年的軟件工程應用經驗；長期從事有限元領域國家重大項目研究，獲得專利11項，開發軟件4項，具有資深的技術底蘊和專業背景；擅長靜力學，模態分析，隨機振動/譜分析，瞬態動力學時程分析，轉子動力學分析、線性/非線性后屈曲分析，斷裂力學分析，壓電分析，熱分析，顯式動力學分析，流體力學分析，多場耦合分析，ANSYS二次開發等仿真分析。善于利用ANSYS進行二次開發解決特定領域科研/工程問題。
展開 