基于SolidWorks和Workbench的压缩机连杆分析
2019-06-26王磊
王 磊
(河南省中原大化集团有限责任公司，河南 濮阳 457004)
连杆是压缩机运动结构的重要组成部件,在运动中承受着交变应力,往往会造成连杆断裂和破坏,是易损部件。如果连杆截面太小质量过轻，就不能满足运动过程中承受拉、压交变力载荷的强度要求；如果连杆截面太大体积笨重，一方面会导致材料的浪费，另一方面还会引起曲轴平衡质量的加重，给压缩机的动平衡问题带来很大困难，从而引起压缩机机械噪声变大[1]。因此，连杆的设计有必要考虑其振动，对其模态进行模态分析也尤为重要。本文使用通用型有限元软件workbench对某压缩机连杆进行模态分析，计算出其固有频率和振型。为了减轻重复建模节约绘图时间，本文利用Visual Basic 6.0语言作为开发工具对Solidworks进行二次开发，实现三维参数化模型达到快速建模的目的。
1 二次开发简述
SolidWorks内提供的API函数可用于二次开发，Visual Basic不仅具有可视化的设计界面，还可以对API函数进行调用[2]，本文通过VB语言程序实现参数化设计，进而实现参数化的三维模型。
1.1 程序界面简介
在VB语言程序中建立如图1所示的用户界面，按照图示在输入参数部分输入相应的数值，检查无误后，就可以使用"建模"按钮建立该连杆模型，如图2。
图1 连杆参数化设计界面
图2 连杆模型
1.2 关键代码
1.2.1 定义变量并获得界面输入值
Dim D1 As Double
……
Dim H2 As Double
D1 = TextBox1.Text
……
H2 = TextBox13.Text
1.2.2 添加引用与SolidWorks互联
在VS界面中选择【项目】，选择【添加引用】，添加【SldWorks2016 Type Library】.
Dim swApp As SldWorks.SldWorks
Dim Part As SldWorks.ModelDoc2
Dim Featmgr As SldWorks.FeatureManager
swApp = CreateObject("SldWorks.Application")
Part = swApp.ActiveDoc
1.2.3 部分建模程序代码
Dim skSegment As Object
skSegment = Part.SketchManager.CreateCircle(-L1 / 2000,0,0,-L1 / 2000 + D2 / 2000,0,0) '草绘第1个圆
Dim myFeature As Object '拉伸第1个圆
myFeature = Part.FeatureManager.FeatureExtrusion2(True,False,False,6,0,H1 / 1000,0.001,False,False,False,False,0.001,0.001,False,False,False,False,True,True,True,0,0,False)
……
myFeature = Part.FeatureManager.FeatureFillet3(3,R2/1000,0,0,0,0,0,(radiiArray4),(dist2Array4),(conicRhosArray4),(setBackArray4),(pointArray4),(pointDist2Array4),(pointRhoArray4)) '倒圆角
2 模态分析
2.1 振动理论基础
根据振动力学知识[3]可知，对结构动力学进行振动计算方程为：
由于连杆结构小，又是在密闭空间中运动，故该结构阻尼较小，在忽略不计的情况下，对结构的固有频率和振型影响较小，因此可用无阻尼自由振动方程:
当[F]=0时，无阻尼自由振动方程是二阶常系数齐次线性微分方程，通过变换进行求解，可以得到固有频率ω的2n次代数方程式：
ω2n+a1ω2(n-1)+…+an-2ω2+an=0
2.2 计算模型
将Solidworks建造的模型以xt格式保存，使用有限元分析软ANSYS Workbench打开上述模型，进行网格划分[4]，如图3所示。
连杆在高速运动的情况下，若与外界的激励频率相近，连杆将会产生剧烈的振动，产生共振，这种情况下长期不稳定运转必定出现安全事故。为了避免发生共振，在设计时考虑连杆的固有频率，对其进行模态分析。运用ANSYS Workbench 进行模态分析，计算得到前三阶的固有频率和振型，如图4～9所示。
图3 划分网格模型
图4 一阶模态
图5 二阶模态
图6 三阶模态
图7 四阶模态
图8 五阶模态
图9 六阶模态
3 结论
本文讲解了SolidWorks二次开发连杆的过程，在Workbench的基础上对连杆模型进行模态分析。通过二次开软件，不仅实现了三维参数化设计，还大大提高了建模修改模型的效率，节约了时间。通过模态分析，计算出了连杆的固有频率，取得了连杆在运动中的前六阶模态形变，为连杆结构改进和优化设计提供参考。
