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考虑可靠性和鲁棒性机械接头有限元设计优化 　　摘 要:为从实际工程角度获得最优的产品设计方案,对考虑应力约束条件下最优结构参数配置的机械接头进行有限元结构优化以Abaqus为有限元计算软件,寻找出在应力约束条件下的理论值;通过OPTIMUS软件进行最优结构参数配置,并考虑结构加工制造公差和材料性能波动所产生的可靠性和鲁棒性因素,分析并重新进行结构的参数设计示例表明该方法具有一定的参考价值 　　关键词:机械接头; 优化; 可靠性; 鲁棒性; 有限元分析 　　中图分类号:TH126;TB115 文献标志码:A 　　 　　Finite element design optimization on mechanical\=joint considering reliability and robustness 　　MAO Lifen 　　(CCA EngSimulation Software(Shanghai) CoLtd., Shanghai 200032, China) 　　Abstract: To obtain the optimal product design from the engineering point of view, finite element structural optimization is performed on mechanical joints considering optimal structural parameter configuration under stress constraintsA theoretical result is obtained by finite element computation software Abaqus; considering the reliability and robustness generated by manufacturing tolerances and material property fluctuations, the structure parameters are analyzed and redesigned to perform the optimal structural parameter configurationby OPTIMUSAn example shows that the method has some practical value. 　　Key words: mechanical joint; optimization; reliability; robustness; finite element analysis 　　 　　0 引 言 　　传统机械接头的CAE都基于确定性分析,即1组输入对应1组输出.除软件算法的不同或随机的误差外,其结果不会有差异,无法考虑在设计过程中有可能产生的公差、制造装配误差和材料特性波动等不稳定性因素及不确定性因素.面对这种统计学意义上的输入,这些不确定性因素造成的直接影响是实际产品的失效或性能脆弱,因此现代的机械接头等CAE分析和优化应采用全新的思维. 　　在CAE分析中引入不确定因素,即考虑输入参数的分布状况,可评估将要设计的产品的可靠性(失效概率最小)以及鲁棒性(性能波动最小),也称为RR(Reliability and Robustness)设计.目前,这种设计主要由主流的集成优化工具(如OPTIMUS)完成:首先在确定性优化的基础上计算出1组理论最优参数;然后引入参数的分布函数,这种分布一般由产品的实际情况决定,可以是正态分布、平均分布和指数分布等各种形式;随后对确定性优化的设计进行评估,一般采用MonteCarlo采样方法得到产品的可靠性和鲁棒性值;最后对不符合要求的产品进行重新设计优化,设计的条件为产品的失效概率小于某个边界以及产品的分布方差值不大于某个数,经过这种设计并进一步评估,就可得到满足可靠性和鲁棒性的最优产品方案. 　　本文以某典型的机械接头结构分析为基础,在应力约束的条件下进行初步确定性优化;随后引入结构参数的正态分布形式,评估该优化方案的可靠性和鲁棒性,发现其失效概率和鲁棒性都不满足设定的要求;最后以失效概率不大于3 ??σ??和结果的方差不大于2 MPa为边界再次进行优化,得到满足要求的优化结果.为说明问题,还假设材料存在缺陷,即在材料的失效应力有正态分布,在此基础上作进一步设计. 　　1 模型描述 　　以Abaqus为有限元计算软件,在其前处理工具中建立参数化机械接头模型,见图1(a).模型的左侧边界为固定约束边界,模拟焊接情况;右边的圆孔内表面为受力面,模拟与螺栓相互作用,作用的方向为向右,并有