基于SolidWorks软件的连杆有限元分析与优化设计

1、第 23 卷第 4 期浙江水利水电专科学校学报 Vol23No42011 年 12 月 J Zhejiang WatCons HydrCollege Dec2011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-MOSXpre

2、ss 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:TP39177 文献标志码:A文章编号:1008536X (201104-0051-03Finite Element Analysis and Optimization Design of Connecting Rod Based on SolidWorksWANG Ying 1,YE Jing 21 / 9(1Zhejiang Water Conservancy and Hydropower College

3、 ,Hangzhou 310018,China ;Zhejiang Titan Design and Engineering CO LTD,Hangzhou 310012,ChinaAbstract :CAE (computer-aided analysis is an integral part of productddddddddddd By using of CAE ,the product quality can be controlled moreddddddddddd ,while the cost of error correcting can be reduced In thi

4、s paper ,3D modelingof Con-necting Rod is set up based on SolidWork ,and finite element analysis of Connecting Rod is also made by using COSMOSX-pressThe structure is optimized in order to meet design requirements ,which is proved to be feasible by test Keywords :SolidWorks ;COSMOSXpress ;connecting

5、 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

6、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2 / 912SolidWorks 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

7、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 005mm2 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 23 / 93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31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4 / 93图 3 定义材料界面3

8、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 / 954 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

9、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541应力及变形结果6 / 9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 1402107N /m 2,最大位移变形为 0007523mm25 浙江水利水电专科学校学报第 23 卷42 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 196741,连 杆的安全系数10,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 0005mm,分析结果为 0007523mm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

10、之满足要 求修正大圆外直径值尺寸,将 76 改为 70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 1574107N/m2,最大位移变形为 0002772mm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 175233,连杆的安全 系数10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7 / 96 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:1 曹岩,李建华SolidWorks2004 产品设计实例精解M北京:机械工业出版社,20042 博嘉科技SolidWorks 设计与应用M 北京:电子工业出版社,20048 / 93SolidWorks 公司S