连杆几何参数在目标驱动前的特性
连杆杆长的特性
连杆小头外径的特性
连杆和衬套的安全系数的响应特性
铜环安全系数的响应特性
连杆安全系数的响应特性
以安全系数为目标的驱动优化报告
优化安全系数后的受载求解情况
驱动优化以后整体位移变形图
驱动优化后等效应力图
谢
谢！
• 在原来的分析中采用了四种接触方式，有 bonded,frictionless,rough,frictional_0.15,但是经 过仿真分析以后发现，连杆和衬套在frictionless 和rough两种接触方式下是危险工况，所以只采用 bonded和frictional两种接触方式对比分析。
第一种接触方式：Bonded 的分析
Chang e (%)
No Elem des ents 256 292 2
0.1952 106 9 057
0.2299
149 7802 68
4.4、总结
• 结论： • 从表十二中可以看出，三种类型的单元大小唯一 的收敛性都很小，三次计算的结果非常接近，无 论单元大小如何，位移都趋向于收敛。
连杆小头与衬套接触方式的对比分析
1.5、总结
• 由表1中，通过对比分析，数据二时的数据更符合 设计的要求，因此数据二是相对最佳的情况，既 符合强度要求，又能达到并高于所要求的设计安 全系数。通过不断地选择合适的尺寸，使连杆模 型既符合强度要求，又能达到要求的设计安全系 数，取得最优解。
二、三维连杆简化模型的静力学分析
• ANSYS Workbench中的Design Modeler（DM）最重要的目标是为分 析环境提供几何模型，而且三维模型比二维模型更能真实分析求解实 际情况。
1.1、二维模型的网格划分
• • • 网格划分方法：自动划分； 材料：连杆本体：40Cr，连杆小头衬套：铜； 网格划分规则：自动划分； 网格规模：1mm 节点数：2135 单元数：596；
1.2、二维模型的加载
• • • 载荷为轴承载荷（Bearing load）：分布在小头夹角为90度的内壁上 约束为圆柱面约束（Cylindrical support）：施加在连杆大头夹角为90 度 的内壁上 轴承载荷的计算：F=PS=57* *2* Π*5 ÷4*3* ÷2=612.3N
四、收敛性分析
• 若单元的插值函数是完备而协调的，当单元尺寸不断缩小而趋于零时，有 限元解将趋于真正解。在有些情况下，如果用于有限元场函数近似解的多 项式展开能精确地拟合真正解， 则在有限数目的单元划分 （甚至仅仅是 一个单元） 的条件下也能得到精确的解答。 • • 在物理意义上，有限元模型不正确，出现奇异： • 1) 如果使用点载荷做塑性分析，将不会得到收敛结果。因为，在节点上 产生奇异，有应力集中，则应力是无限大的。局部的奇异会使整个结构不 收敛。 • 这对于接触分析也是一样的。如果简化结构或用太粗的网格，造成接触区 域是点接触二部是面接触，很有可能是问题不收敛. • • 在数值意义上，有限元模型不正确 • 2) 在接触分析中有刚体位移经常会导致发散.这能导致以下结果：我们总 是认为在几何上，模型的间隙为零，在有限元模型上也应该是零。但是由 于数学上的近似和离散，这是不必要的。实际上这会导致发散。
4.1、应力的收敛性分析（按8％计算）
Equivalent Stress (MPa) 1 175.88
Chang e (%)
No de s 19 72 3
Elem ents 2753
Equivalent Stress (MPa) 1 132.6
Chang e (%)
No Elem des ents 138Leabharlann 144 6具体任务的完成与分析
• 一、二维连杆简化模 型的静力学分析
ANSYS Workbench 允许在 DM中创建表面体，并将线体的 边作为边界，即由线生成面。 二维分析的结果和三维实体分 析的结果有相当的差别，不能 用来代替对整个结构的整体分 析结果。二维只是平面分析。 不考虑扭转，一般来说规则的 结构就用二维分析就行了。
2 222.99
23.624 89 55 7
5501 5
2 144.08
8.2921 927 4501 2
4.2、总结
• 结论：
• 从表八中可以得出，当单元大小为1mm时的计算结果为 23.624％，误差较大，计算过程费时，达不到要求；当单 元大小设计为3mm时，计算结果为10.186％，结果得到了 改善，与设定变化率逐渐的缩小，接近设定的变化率，且 保持在10％左右，继续优化；当单元大小设定为5mm时， 即继续加大单元的大小，结果变化率为8.2921％，误差很 小，达到了所要求的变化率，此时的收敛性很好，达到了 设计的要求；因此，进行应力收敛性分析时，适当加大单 元大小，应力发散的情况就会变小，结果就可能达到收敛 。
1.3、不同尺寸二维模型云图
数据一 数据二 数据三
1.4、不同尺寸二维模型数据
数据一 1.小头外径：R12 3.大头外径：R22 4.过渡圆角：R1 5.大头圆心与小头圆心的 距离：77 6.夹角：40度（小头与杆 身） Nodes：2399 Elements：684 最大应力：143.45MPa 最小安全系数：4.5286 数据二 1.小头：外径：R13.5 3.大头：外径：R23.5 4.过渡圆角：R0.8 5.大头圆心与小头圆心的 距离：77 6.夹角：46度（小头与杆 身） Nodes：2406 Elements：688 最大应力：124.87MPa 最小安全系数：5.2077 数据三 1.小头：外径：R14 3.大头：外径：R24 4.过渡圆角：R2.5 5.大头圆心与小头圆心的 距离：60 6.夹角：40度（小头与杆 身） Nodes：2635 Elements：762 最大应力：130.08 最小安全系数：5.2693
分析所需数据及要求
• 1.材料：连杆本体：40Cr结构钢;小头衬套：铜 • 2.厚度：连杆杆身和大头：1.5mm；小头：3.0mm （杆身和小头的过渡处有R2的过渡圆角） • 3.载荷：轴承载荷，分布在小头夹角为90度的内 壁上 • 4.约束：固定约束，施加在连杆大头夹角为90度 的内壁上 • 5.40Cr材料：弹性模量：210GPa；泊松比：0.3； 屈服极限：850MPa；设计安全系数：6 • 6.铜材料：弹性模量：120GPa；泊松比：0.33； 屈服极限：250MPa；设计安全系数：4
4.3、位移的收敛性分析（按8％计算）
Total Deformation (mm) 1 1.9649e-002 2 1.9687e-002
Chang e (%)
Nod Elem es ents 297 64 5072 6550 4
Total Deformation (mm) 1 1.956e-002 2 1.9605e-002
连杆简化模型的有限元分析
分析任务
• a.对图一所示的连杆的二维简化模型进行有限元 分析，确定该设计是否满足结构的强度要求；若 强度不够，修改设计直至最大应力减小至材料允 许的范围内。 • b.采用三维结构对图示连杆进行强度分析，与二 维结构分析结果进行比较。 • c.对结构进行参数化研究与目标驱动的优化设计
最大应力：121.8MPa 最小安全系数：4.5546
2.5、总结
应力值较大，出现了奇异，且出现最大应力的部 位区域很小，分析可能是与实际的工况不符合， 模型尺寸不符合实际. 改进方案：模型尺寸大小，使求解结果接近理论 值。 由表2中，通过对比分析，数据三时的数据更符合 设计的要求，因此数据二是相对最佳的情况，既 符合强度要求，又能达到并高于所要求的设计安 全系数。通过不断地选择合适的尺寸，使连杆模 型既符合强度要求，又能达到要求的设计安全系 数，取得最优解。
150.66 MPa 0.028934 mm 0.02692 mm
选择最佳接触方式
• 从表中可以明显看出，采用bonded的接触方式， 所有的值都教frctional_0.15的小，连杆和铜环衬 套都相对教安全。所以连杆小头与铜环衬套之间 采用bonded的接触方式。
参数化研究和目标驱动的优化设计
3.3、不同尺寸三维模型云图
数据一 数据二 数据三
3.4、不同尺寸三维模型数据
数据一 数据二 数据三
1.小头外径：R9.5 2.大头外径：R20 3.过渡圆角：R2 4.大头圆心与小头圆心的 距离：77mm 5.夹角：40度（小头与杆 身） Nodes：2312 Elements：272
最大应力：191.01MPa 最小安全系数：2.551
• 在进行参数化分析和目标驱动优化时，是以连杆 整体和衬套整体各自的安全系数作为驱动的相应 量，在DM模块中将连杆小头的外径和连杆的杆长 （连杆大头圆心到连杆小头圆心的距离）作为参 变量，在DX模块中进行目标优化驱动，即让它们 各自的安全系数尽量满足设计要求。在进行目标 优化驱动中，可以设置多个参变量，但是在研究 哪些参数对驱动优化结果的影响时，可以一个一 个添加，多多尝试。
2.1、二维模型的网格划分
• • • 网格单元：四面体； 材料：连杆本体：40Cr，连杆小头衬套：钢； 网格划分规则：tetrahedrons ；单元大小：1mm
2.2、二维模型的加载
• • • • 载荷为轴承载荷（Bearing load）：分布在小头夹角为90度的内壁上 约束为圆柱面约束（Cylindrical support）：施加在连杆大头夹角为90 度的 内壁上 轴承载荷的计算：F=PS=57* *2* Π*5 ÷4*3* ÷2=612.3N 圆柱面约束：轴向自由（free）
整体位移变形图
等效应力图
小扇形接触面位移变形图
第二种接触方式：Frictional _0.15的 分析
整体位移变形图
等效应力图
小扇形接触面位移变形图
bonded和frictional两种接触方式的 对比分析 Frctonal_0.15 Max Value Bonded