基于SolidWorks軟件的連桿有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、第 23 卷第 4 期浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報(bào) Vol23No42011 年 12 月 J Zhejiang WatCons HydrCollege Dec2011基于 SolidWorks 軟件的連桿有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)王鶯 1,葉菁2(1浙江水利水電專科學(xué)校,浙江杭州 310018;2浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公 司,浙江杭州 310012摘要:CAE (計(jì)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(cuò)誤所耗費(fèi)的成本通過利用三維 CAD 軟件 SolidWorks 對連桿建 模,并利用 SolidWorks 提供的 COS-MOSXpre

2、ss 工具進(jìn)行有限元分析,根據(jù)設(shè)計(jì)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(jì)是可行的關(guān)鍵詞:SolidWorks ;COSMOSXpress ;連桿;有限元分析;結(jié)構(gòu)優(yōu)化中圖分類號:TP39177 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號: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 基金項(xiàng)目 :2011 年度浙江水利水電專科學(xué)校校級科研基金 資助項(xiàng)目(XKY-201105 作者簡介 :王鶯(1978,女,浙江杭州人,講師主要從事 CAD /CAM 及虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的研究工作0 引言在過去,一個(gè)機(jī)械零部件設(shè)計(jì)完成后,需要加工一個(gè)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(shí),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(jì)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

6、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(cuò)誤所耗費(fèi)的成本2 / 912SolidWorks 軟件是一個(gè)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(jì)算機(jī)輔助分析功能3而 CAE 的核心計(jì)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(jì)算出的結(jié)構(gòu)反應(yīng)(變形、應(yīng)力等如果計(jì)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(jì)值為止4連桿是機(jī)械傳動(dòng)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

7、維建模并進(jìn)行有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì),以滿足設(shè)計(jì)要求1 連桿的設(shè)計(jì)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 9800N ,則連桿的最大位移變形不得超過 0 005mm2 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 23 / 93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31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(jì)要求,從數(shù)據(jù)庫中選取連桿的材料為 1060 鋁合金,見圖4 / 93圖 3 定義材料界面3

8、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(gè)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 9800N 垂直于所選的內(nèi)圓面,使用統(tǒng)一分布,見圖 4、圖5 / 954 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(huì)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(gè)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(huì)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

9、積并在邊在線 放置邊中間的節(jié)點(diǎn)隨后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行有限元分析541應(yīng)力及變形結(jié)果6 / 9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(dòng)態(tài)效果,從圖中可知,最大應(yīng)力為 1402107N /m 2,最大位移變形為 0007523mm25 浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)第 23 卷42 分析結(jié)果根據(jù)所指定的參數(shù),在連桿的分析及計(jì)算中,得到最低安全系數(shù)值為 196741,連 桿的安全系數(shù)10,就表示使用的材料是安全的5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求施力后的變形量不得超過 0005mm,分析結(jié)果為 0007523mm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

10、之滿足要 求修正大圓外直徑值尺寸,將 76 改為 70系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)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 1574107N/m2,最大位移變形為 0002772mm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(jì)要求連桿的最低安全系數(shù)為 175233,連桿的安全 系數(shù)10說明此次結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)條件的最優(yōu)值基于篇幅原因,本文在此不再贅述7 / 96 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(jì) 算機(jī)上測試產(chǎn)品,而不需要進(jìn)行昂貴又費(fèi)時(shí)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(jì)算,并根據(jù)設(shè)計(jì)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(jì)是可行 的參考文獻(xiàn):1 曹巖,李建華SolidWorks2004 產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)例精解M北京:機(jī)械工業(yè)出版社,20042 博嘉科技SolidWorks 設(shè)計(jì)與應(yīng)用M 北京:電子工業(yè)出版社,20048 / 93SolidWorks 公司S