第23卷第4期浙江水利水电专科学校学报Vol．23No．42011年12月J．Zhejiang Wat．Cons ＆Hydr．College Dec．2011
基于SolidWorks 软件的连杆有限元分析与优化设计
王
莺1,叶
菁
2
(1．浙江水利水电专科学校,浙江杭州310018;2．浙江省天正设计工程有限公司,浙江杭州310012
摘要:CAE (计算机辅助分析已是产品开发中不可或缺的环节．利用CAE 的结果,可以更有效地控制产品质量,
降低因修正错误所耗费的成本．通过利用三维CAD 软件SolidWorks 对连杆建模,并利用SolidWorks 提供的COS-MOSXpress 工具进行有限元分析,根据设计要求对连杆的结构进行优化,经测试连杆的优化设计是可行的．关键
词:SolidWorks ;COSMOSXpress ;连杆;有限元分析;结构优化中图分类号:TP391．77
文献标志码:A
文章编号:1008－536X (201104-
0051-03Finite Element Analysis and Optimization Design of Connecting Rod
Based on SolidWorks
WANG Ying 1,YE Jing 2
(1．Zhejiang Water Conservancy and Hydropower College ,Hangzhou
310018,China ;Zhejiang Titan Design and Engineering CO．LTD．,Hangzhou 310012,China
Abstract :CAE (computer-aided analysis is an integral part of product development．By using of CAE ,the product quality can be controlled more effectively ,while the cost of error correcting can be reduced．In this paper ,3D modeling of Con-necting Rod is set up based on SolidWork ,and finite element analysis of Connecting Rod is also made by using COSMOSX-press．The structure is optimized in order to meet design requirements ,which is proved to be feasible by test．Key
words :SolidWorks ;COSMOSXpress ;connecting rod ;finite element analysis ;structure optimization
收稿日期:2011-10-14基金项目:2011年度浙江水利水电专科学校校级科研基金资助
项目(XKY-201105作者简介:王莺(1978－,女,浙江杭州人,讲师．主要从事
CAD /CAM 及虚拟产品设计开发的研究工作．
0引言
在过去,一个机械零部件设计完成后,需要加工一个样品来做简单的破坏性检测,觉得可以就去
开模子了．经常等到作品完成后或在开模时,才发现大问题．所以成本高,质量也不一定牢靠．而在软
件应用分析能力大幅提高的今天,
CAE (计算机辅助分析已是产品开发中不可或缺的环节．利用
CAE 的结果,可以更有效地控制产品质量,降低因修正错误所耗费的成本
[1－2]
．
SolidWorks 软件是一个非常方便、实用的三维建模造型软件,并且它具有强大的CAE (计算机辅助分析功能
[3]
．而CAE 的核心计算方法就是有限
元分析．用户可通过SolidWorks 提供的COSMOSX-press 工具进行有限元分析．有限元模型和产品的几何模型是相关的,经过建模和分析后,用户将得到
系统计算出的结构反应(变形、应力等．如果计算的结果不符预期,那么用户就可修改参数再次分
析,
直到达到可接受的设计值为止[4]
．连杆是机械传动中应用比较广泛的零件．本文主要介绍如何通过SolidWorks 软件对连杆三维建模并进行有限元分析及优化设计,以满足设计要求．
1连杆的设计要求
连杆的结构尺寸见图1,材料为1060铝合金,
若施加垂直于大圆内圆面的力9800N ,则连杆的最大位移变形不得超过0．005mm．
2连杆的几何建模
根据图1连杆的尺寸要求,用SolidWorks 软件的拉伸、切除、圆角等命令创建连杆的三维模型,见图2．
3
连杆应力分析条件的设置
应力分析条件主要是定义材质、约束、载荷等．3．1
指定零件的材料
我们进入SolidWorks 下的COSMOSXpress 应力
分析界面,根据设计要求,从数据库中选取连杆的材料为1060铝合金,见图
3．
图3定义材料界面
3．2定义约束和载荷
因为连杆是以双空心圆头来圈连其他零件,所
以先假设固定小圆端(即对小圆这端加约束,约束的面在所有方向都受到约束．点取小圆端轴孔的两
个半圆柱面,表示该处是固定面．而在大圆那端加载荷．点取大圆轴孔的内圆面,表示该处是载荷面,应用力9800N 垂直于所选的内圆面,使用统一分布,见图4、图
5．
4连杆有限元分析
在定义了材质、约束和载荷后,就可进行应力
分析．系统会对实体模型进行网格化．实体模型的网格化包含两个基本的阶段过程．在第一阶段中,网格生成器将节点放置在边界上．此阶段称为“曲面网格化”．如果第一阶段成功,那么网格生成器会
开始第二阶段,即在零件内部生成节点,使用四面体元素来填补体积并在边在线放置边中间的节点．
随后系统会自动进行有限元分析[5]
．4．1
应力及变形结果
连杆的应力和位移分布见图6、图7,并可通过按钮观看应力变形和位移变形的动态效果,从图中
可知,最大应力为1．402ˑ107N /m 2,最大位移变形为0．007523mm．
2
5浙江水利水电专科学校学报第23卷
4．2分析结果
根据所指定的参数,在连杆的分析及计算中,得到最低安全系数值为1．96741,连杆的安全系数＞1．0,就表示使用的材料是安全的．
5结构优化设计
设计要求施力后的变形量不得超过0．005mm,分析结果为0．007523mm．因此我们需要在载荷、材料和约束条件不变的情况下,对其结构进行优化,使之满足要求．修正大圆外直径值尺寸,将Φ76改为Φ70．系统将会自动对其结构重新进行有限元分析和检查,应力及变形结果见图8、9．从图中可看出改变结构后最大应力为1．574ˑ107N/m2,最大位移变形为0．002772mm．从分析结果看,应力情况结构改变前后变化不大,而位移满足设计要求．连杆的最低安全系数为17．5233,连杆的安全系数＞1．0．说明此次结构的优化设计是成功的．可多次对连杆的结构参数进行优化,以获得满足设计条件的最优值．基于篇幅原因,本文在此不再赘述
．6结论
三维软件SolidWorks中的有限元分析工具COSMOSXpress让用户可直接在计算机上测试产品,而不需要进行昂贵又费时的实物测试,这就可以大大缩短产品的开发周期．本文利用SolidWorks 提供的COSMOSXpress工具对连杆进行有限元分析、计算,并根据设计要求对连杆的结构进行优化,经测试连杆的优化设计是可行的．
参考文献:
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第4期王莺等:基于SolidWorks软件的连杆有限元分析与优化设计。