基于SolidWorks软件的连杆有限元分析与优化设计

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（ 2011） 04-0051-03
Finite Element Analysis and Optimization Design of Connecting Rod Based on SolidWorks
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］．
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
WANG Ying1 ，YE Jing2
（ 1． Zhejiang Water Conservancy and Hydropower College，Hangzhou 310018，China； Zhejiang Titan Design and Engineering CO． LTD． ，Hangzhou 310012，China）
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，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．
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-
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．
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．
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 × 107 N / m2 ，最大位移变形 为 0． 007 SolidWorks 软件的连杆有限元分析与优化设计
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4． 2 分析结果 根据所指 定 的 参 数，在 连 杆 的 分 析 及 计 算 中，
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．
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浙江水利水电专科学校学报
第 23 卷
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．
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．
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．
第 23 卷 第 4 期 2011 年 12 月
浙江水利水电专科学校学报 J． Zhejiang Wat． Cons ＆ Hydr． College
Vol． 23 No． 4 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）
［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．
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
4 连杆有限元分析
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 Connecting Rod is set up based on SolidWork，and finite element analysis of Connecting Rod is also made by using COSMOSXpress． 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
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 × 107 N / 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．