基于SOLIDWORKS软件的连杆有限元分析与优化设计

王 莺，叶 菁

(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)

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9 800N，则连杆的最大位移变形不得超过0.005 mm.

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9 800 N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1.402×107N/m2，最大位移变形为0.007 523 mm.

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1.967 41，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0.005 mm，分析结果为0.007 523 mm.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1.574×107N/m2，最大位移变形为0.002 772 mm.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17.523 3，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.

［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，2004.

［2］博嘉科技.SolidWorks设计与应用［M］.北京:电子工业出版社，2004.

［3］SolidWorks公司.SolidWorks装配体建模［M］.北京:机械工业出版社，2009.

［4］谭雪松，唐小虎，钟廷志，等.SolidWorks中文版机械设计［M］.北京:人民邮电出版社，2008.

［5］刑启恩.SolidWorks工业设计与案例精粹［M］.北京:机械工业出版社，2007.