雷 潔

(天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，中國(guó) 天津300131）

連桿機(jī)構(gòu)是傳遞機(jī)械能的一種裝置，在各種機(jī)械和儀器中獲得廣泛應(yīng)用，連桿機(jī)構(gòu)工作時(shí)受到隨時(shí)間變化的動(dòng)載荷作用，鑒于此，本文對(duì)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，以優(yōu)化連桿機(jī)構(gòu)的質(zhì)量，獲得較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，減小運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的沖擊和振動(dòng)，達(dá)到提高連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，提高連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性的目的。

1 整體研究框架

（1）采用PRO/E 三維軟件構(gòu)建了連桿機(jī)構(gòu)的三維模型，為后續(xù)ANSYS有限元分析提供三維模型。

（2）采用Solid95 單元建立連桿機(jī)構(gòu)的有限元模型，該單元對(duì)模型描述比較詳細(xì)，計(jì)算結(jié)果的精度也好，而且可以很直觀的看出結(jié)構(gòu)各部位的應(yīng)力分布狀況，單元與單元之間的連接關(guān)系也比較容易處理。

（3）對(duì)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元靜力分析。 這為連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

（4）對(duì)連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元?jiǎng)恿Ψ治?，?jì)算出了前十階固有頻率和振型。 通過(guò)分析固有頻率和振型，了解前十階模態(tài)的振動(dòng)情況，這有利于從根本上減少振動(dòng)的產(chǎn)生，及時(shí)進(jìn)行修改設(shè)計(jì)。

（5）在初始設(shè)計(jì)和分析基礎(chǔ)上，利用ANSYS 軟件中的優(yōu)化模塊對(duì)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 找出使連桿機(jī)構(gòu)滿足強(qiáng)度、剛度要求的最優(yōu)厚度值，從而減少連桿機(jī)構(gòu)的總質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)聯(lián)，提高連桿機(jī)構(gòu)的工作效率，降低生產(chǎn)成本，使連桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)更趨于合理。

（6） 利用ANSYS 分析軟件對(duì)優(yōu)化的連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行整體的運(yùn)動(dòng)分析，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析， 可以計(jì)算出連桿機(jī)構(gòu)在各個(gè)狀態(tài)的受力情況和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并且驗(yàn)證靜力學(xué)的分析和優(yōu)化結(jié)果。

本文在靜力學(xué)分析方面不做闡述，主要針對(duì)連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析作以闡述。

2 ANSSY 動(dòng)力學(xué)的求解過(guò)程簡(jiǎn)述

基于顯式非線性動(dòng)力分析通用有限元程序Flexible Dynamic 對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，F(xiàn)lexible Dynamic 具有杰出的動(dòng)力學(xué)計(jì)算能力，全自動(dòng)接觸分析功能可以求解變形體對(duì)變形體、變形體對(duì)剛體、板殼結(jié)構(gòu)的單面接觸、與剛性強(qiáng)接觸等接觸問(wèn)題。

ANSYS 動(dòng)力分析過(guò)程如錯(cuò)誤！ 未找到引用源。 所示，主要分三個(gè)部分：

1）前處理

將CAD 模型倒入ANSYS，劃分網(wǎng)格，生成有限元模型，然后定義Part 和接觸類型，再進(jìn)行邊界條件和載荷的定義。

2）求解

完成前處理后開(kāi)始設(shè)置求解控制參數(shù)，比如求解時(shí)間、結(jié)果文件的存儲(chǔ)頻率等。 設(shè)置完求解控制參數(shù)后可以開(kāi)始求解。

3）后處理

求解完畢后可以查看結(jié)果，ANSYS 的后處理分析功能十分強(qiáng)大，可以分別進(jìn)行通用后處理和時(shí)間歷程后處理。 在通用后處理器中，可以觀看整個(gè)模型在某一時(shí)刻的結(jié)果，包括描繪模型變形圖和應(yīng)力等值線、動(dòng)畫(huà)顯示模型、受力變形情況等。 在時(shí)間歷程后處理器中，可以得到所有節(jié)點(diǎn)和單元在整個(gè)時(shí)間歷程的結(jié)果數(shù)據(jù)，包括節(jié)點(diǎn)位移、速度、加速度以 及節(jié)點(diǎn)和單元的應(yīng)力、應(yīng)變等等。

3 連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

基于顯式非線性動(dòng)力分析通用有限元軟件ANSSY 對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，ANSSY 具有杰出的動(dòng)力學(xué)計(jì)算能力，全自動(dòng)接觸分析功能可以求解變形體對(duì)變形體、變形體對(duì)剛體、板殼結(jié)構(gòu)的單面接觸、與剛性強(qiáng)接觸等接觸問(wèn)題。

3.1 連桿的動(dòng)力學(xué)有限元分析前處理

由于實(shí)際的連桿機(jī)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，必須進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化才能進(jìn)行動(dòng)力學(xué)的有限元計(jì)算。 利用三維造型軟件對(duì)連桿機(jī)構(gòu)造型，導(dǎo)入ANSYS，建立模型如圖1 所示。 釆用四面體10 節(jié)點(diǎn)單元， 對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。共劃分了36548 個(gè)節(jié)點(diǎn)，21507 個(gè)單元。連桿機(jī)構(gòu)的三維有限元網(wǎng)格見(jiàn)圖2 所示。

在連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)中， 連桿的運(yùn)動(dòng)可以近似的看作是等速旋轉(zhuǎn)的， 選擇標(biāo)定工況3000r/min 對(duì)連桿進(jìn)行動(dòng)力學(xué)校核計(jì)算。 邊界條件的加載情況為： 在旋轉(zhuǎn)桿處加1200N.mm 的扭矩； 并在連桿端加載100N 的工作阻力。

根據(jù)連桿的工作過(guò)程循環(huán)模擬結(jié)果得到連桿的應(yīng)力值，如圖3 所示。 橫坐時(shí)間，單位為秒；縱坐標(biāo)為應(yīng)力值，單位為MPa。

3.2 連桿動(dòng)力學(xué)有限元計(jì)算結(jié)果分析

在連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)速較高，連桿及驅(qū)動(dòng)軸處產(chǎn)生擺動(dòng)、連桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)連桿與其載荷夾角發(fā)生變化引起應(yīng)力變化等，所以出現(xiàn)單元應(yīng)力波動(dòng)的現(xiàn)象。 圖 所示連桿在此處出現(xiàn)最大應(yīng)力值的原因是由于連桿勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)連桿產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。 由計(jì)算可知，連桿應(yīng)力最大值約為30MPa，小于材料45 鋼的屈服極限250MPa，設(shè)計(jì)滿足要求。

動(dòng)力學(xué)計(jì)算初始條件的處理表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：第一，連桿勻速運(yùn)動(dòng)，由程序計(jì)算連桿各個(gè)節(jié)點(diǎn)的往復(fù)慣性力和旋轉(zhuǎn)慣性力；第二，由于連桿作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)可得到連桿的加速度，并根據(jù)連桿質(zhì)量求得滑塊往復(fù)慣性力，慣性力與工作阻力合成加載到連桿銷，這時(shí)的連桿載荷在不同連桿轉(zhuǎn)角時(shí)都與實(shí)際情況較為接近。

結(jié)果表明連桿的危險(xiǎn)區(qū)域分別為連桿的大頭與桿身的過(guò)渡段，von-Mises 應(yīng)力分布如圖3 所示。

在動(dòng)力學(xué)計(jì)算中，取現(xiàn)應(yīng)力較大點(diǎn)處進(jìn)行分析。 連桿大頭與桿身過(guò)渡處節(jié)點(diǎn)，應(yīng)力各個(gè)狀態(tài)的如圖5 所示。

4 總結(jié)

本文對(duì)對(duì)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，由此得出連桿機(jī)構(gòu)在各個(gè)角度下的應(yīng)力分布圖，經(jīng)驗(yàn)證機(jī)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。 表明動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果具有一定的優(yōu)越性，為連桿機(jī)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

本文主要對(duì)連桿機(jī)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行了有益的探討。為了使本文更好的服務(wù)于實(shí)際設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作，同時(shí)，也為本文的提高和完善，尚可在以下方面進(jìn)行更深入的研究：

（1）當(dāng)前的模態(tài)理論和方法都是建立在線性化基礎(chǔ)上的，即不考慮實(shí)際系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所具有的各種非線性行為。因此，運(yùn)用ANSYS 對(duì)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行的模態(tài)分析，所得結(jié)果及結(jié)論僅能作為定性的參考，要想獲得連桿機(jī)構(gòu)更為精確的振動(dòng)特性，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)加以對(duì)照研究。

（2）本文所研究的優(yōu)化設(shè)計(jì)僅局限于截面尺寸的優(yōu)化，如果能對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更深一步的形狀和拓?fù)涞膬?yōu)化，將取得更好的經(jīng)濟(jì)效果。

（3）對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行整機(jī)分析。 本文只是對(duì)連桿機(jī)構(gòu)局部進(jìn)行分析優(yōu)化，并不是對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行整機(jī)分析，這樣單獨(dú)對(duì)連桿機(jī)構(gòu)一部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，不能準(zhǔn)確考慮其它機(jī)構(gòu)對(duì)它的影響，計(jì)算出來(lái)的結(jié)果與實(shí)際狀況會(huì)有一定偏差。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行整機(jī)分析，這樣效果將會(huì)更好。

［1］張祖芳.開(kāi)始?jí)毫C(jī)機(jī)身的有限元分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].東南大學(xué)，2004.

［2］R. D. Cook.有限元分析的概念和運(yùn)用[M].北京：科學(xué)出版社，1981，9.

［3］陳國(guó)華.有限元法在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用[M].武漢:華中工學(xué)院出版社，1985.