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

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JZhejiang 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(duì)連桿建模,并利用SolidWorks 提供的COS-MOSXpress 工具進(jìn)行有限元分析,根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)連桿

2、的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,經(jīng)測(cè)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(hào):TP39177文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1008536X (201104-0051-03Finite Element Analysis and Optimization Design of Connecting RodBased on SolidWorksWANG Ying 1,YE Jing 2(1Zhejiang Water Conservancy and Hydropower College ,Hangzhou 310018,China ;Zheji

3、ang Titan Design and Engineering COLTD,Hangzhou 310012,China Abstract :CAE (computer-aided analysis is an integral part of product developmentBy using of CAE ,the product quality can be controlled more effectively ,while the cost of error correcting can be reducedIn this paper ,3D modeling of Con-ne

4、cting 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 testKey words :SolidWorks ;COSMOSXpress ;connecting rod ;finite element analysis

5、 ;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(jí)科研基金資助項(xiàng)目(XKY-201105作者簡(jiǎn)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(jiǎn)單的破壞性檢測(cè),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12Sol

6、idWorks 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(duì)連桿三維建模并進(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

7、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0005mm2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2 3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(kù)中選取連桿的材料為1060鋁合金,見圖 3圖3定義材料界面32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(duì)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

8、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 54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(duì)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14

9、02107N /m 2,最大位移變形為0007523mm25浙江水利水電專科學(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(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,使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(duì)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

10、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(duì)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 6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(cè)試產(chǎn)品,而不需要進(jìn)行昂貴又費(fèi)時(shí)的實(shí)物測(cè)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(duì)連桿進(jìn)行有限元分析、計(jì)算,并根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)連桿的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,經(jīng)測(cè)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,20043Soli