基于SOLIDWORKS軟件的連桿有限元分析與優(yōu)化設(shè)計

王 鶯，葉 菁

(1.浙江水利水電?？茖W(xué)校，浙江杭州310018;2.浙江省天正設(shè)計工程有限公司，浙江杭州310012)

0 引言

在過去，一個機(jī)械零部件設(shè)計完成后，需要加工一個樣品來做簡單的破壞性檢測，覺得可以就去開模子了.經(jīng)常等到作品完成后或在開模時，才發(fā)現(xiàn)大問題.所以成本高，質(zhì)量也不一定牢靠.而在軟件應(yīng)用分析能力大幅提高的今天，CAE(計算機(jī)輔助分析)已是產(chǎn)品開發(fā)中不可或缺的環(huán)節(jié).利用CAE的結(jié)果，可以更有效地控制產(chǎn)品質(zhì)量，降低因修正錯誤所耗費(fèi)的成本［1－2］.

SolidWorks軟件是一個非常方便、實(shí)用的三維建模造型軟件，并且它具有強(qiáng)大的CAE(計算機(jī)輔助分析)功能［3］.而CAE的核心計算方法就是有限元分析.用戶可通過SolidWorks提供的COSMOSX-press工具進(jìn)行有限元分析.有限元模型和產(chǎn)品的幾何模型是相關(guān)的，經(jīng)過建模和分析后，用戶將得到系統(tǒng)計算出的結(jié)構(gòu)反應(yīng)(變形、應(yīng)力等).如果計算的結(jié)果不符預(yù)期，那么用戶就可修改參數(shù)再次分析，直到達(dá)到可接受的設(shè)計值為止［4］.

連桿是機(jī)械傳動中應(yīng)用比較廣泛的零件.本文主要介紹如何通過SolidWorks軟件對連桿三維建模并進(jìn)行有限元分析及優(yōu)化設(shè)計，以滿足設(shè)計要求.

1 連桿的設(shè)計要求

連桿的結(jié)構(gòu)尺寸見圖1，材料為1060鋁合金，若施加垂直于大圓內(nèi)圓面的力9 800N，則連桿的最大位移變形不得超過0.005 mm.

2 連桿的幾何建模

根據(jù)圖1連桿的尺寸要求，用SolidWorks軟件的拉伸、切除、圓角等命令創(chuàng)建連桿的三維模型，見圖2.

3 連桿應(yīng)力分析條件的設(shè)置

應(yīng)力分析條件主要是定義材質(zhì)、約束、載荷等.

3.1 指定零件的材料

我們進(jìn)入SolidWorks下的COSMOSXpress應(yīng)力分析界面，根據(jù)設(shè)計要求，從數(shù)據(jù)庫中選取連桿的材料為1060鋁合金，見圖3.

圖3 定義材料界面

3.2 定義約束和載荷

因?yàn)檫B桿是以雙空心圓頭來圈連其他零件，所以先假設(shè)固定小圓端(即對小圓這端加約束)，約束的面在所有方向都受到約束.點(diǎn)取小圓端軸孔的兩個半圓柱面，表示該處是固定面.而在大圓那端加載荷.點(diǎn)取大圓軸孔的內(nèi)圓面，表示該處是載荷面，應(yīng)用力9 800 N垂直于所選的內(nèi)圓面，使用統(tǒng)一分布，見圖4、圖5.

4 連桿有限元分析

在定義了材質(zhì)、約束和載荷后，就可進(jìn)行應(yīng)力分析.系統(tǒng)會對實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格化.實(shí)體模型的網(wǎng)格化包含兩個基本的階段過程.在第一階段中，網(wǎng)格生成器將節(jié)點(diǎn)放置在邊界上.此階段稱為“曲面網(wǎng)格化”.如果第一階段成功，那么網(wǎng)格生成器會開始第二階段，即在零件內(nèi)部生成節(jié)點(diǎn)，使用四面體元素來填補(bǔ)體積并在邊在線放置邊中間的節(jié)點(diǎn).隨后系統(tǒng)會自動進(jìn)行有限元分析［5］.

4.1 應(yīng)力及變形結(jié)果

連桿的應(yīng)力和位移分布見圖6、圖7，并可通過按鈕觀看應(yīng)力變形和位移變形的動態(tài)效果，從圖中可知，最大應(yīng)力為1.402×107N/m2，最大位移變形為0.007 523 mm.

4.2 分析結(jié)果

根據(jù)所指定的參數(shù)，在連桿的分析及計算中，得到最低安全系數(shù)值為1.967 41，連桿的安全系數(shù)＞1.0，就表示使用的材料是安全的.

5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

設(shè)計要求施力后的變形量不得超過0.005 mm，分析結(jié)果為0.007 523 mm.因此我們需要在載荷、材料和約束條件不變的情況下，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使之滿足要求.修正大圓外直徑值尺寸，將Φ76改為Φ70.系統(tǒng)將會自動對其結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行有限元分析和檢查，應(yīng)力及變形結(jié)果見圖8、9.從圖中可看出改變結(jié)構(gòu)后最大應(yīng)力為1.574×107N/m2，最大位移變形為0.002 772 mm.從分析結(jié)果看，應(yīng)力情況結(jié)構(gòu)改變前后變化不大，而位移滿足設(shè)計要求.連桿的最低安全系數(shù)為17.523 3，連桿的安全系數(shù)＞1.0.說明此次結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是成功的.可多次對連桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以獲得滿足設(shè)計條件的最優(yōu)值.基于篇幅原因，本文在此不再贅述.

6 結(jié)論

三維軟件SolidWorks中的有限元分析工具COSMOSXpress讓用戶可直接在計算機(jī)上測試產(chǎn)品，而不需要進(jìn)行昂貴又費(fèi)時的實(shí)物測試，這就可以大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期.本文利用SolidWorks提供的COSMOSXpress工具對連桿進(jìn)行有限元分析、計算，并根據(jù)設(shè)計要求對連桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)測試連桿的優(yōu)化設(shè)計是可行的.

［1］曹 巖，李建華.SolidWorks2004產(chǎn)品設(shè)計實(shí)例精解［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］博嘉科技.SolidWorks設(shè)計與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［3］SolidWorks公司.SolidWorks裝配體建模［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［4］譚雪松，唐小虎，鐘廷志，等.SolidWorks中文版機(jī)械設(shè)計［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

［5］刑啟恩.SolidWorks工業(yè)設(shè)計與案例精粹［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.