有限元分析

摘要：本文中要利用有限元分析进行结构优化设计的零件是联轴部件中的连接杆。

连杆始终与轴中间不规则截面部分保持接触，连接杆和轴之间是过盈配合，使得连接杆上承受外力，从而连接杆发生形变、进行结构应力分析。

Abstract:In this paper to use finite element analysis for structure optimization design of the parts are coupling parts of the connecting rod. Connecting rod always and shaft intermediate irregular section keep contact, connecting rod and shaft are interference fit, making the connecting rod under forces, thus connecting rod occur deformation and structure stress analysis.
关键字：连接杆、有限元分析、结构应力分析
Keywords:connecting rod,finite element analysis,the structural stress analysis 前言连接杆为联接轴部件中传递外力的主要零件，材料为钢，这是本文利用有限元分析进行连接杆的结构优化设计的重要部分，准确地说，能否肯定新的结构，有限元分析在零件的优化设计中起到了至关重要的作用。

有限元法的基本概念
有限元法(Finite Element Method，简称FEM)是一种数值离散化方法，根据变分原理求其数值解。

因此适合于求解结构形状及边界条件比较复杂、材料特性不均匀等力学问题能够解决几乎所有工程领域中各种边值问题。

有限元法的基本思想是:在对整体结构进行结构分析和受力分析的基础上，对结构加以简化，利用离散化方法把简化后的边界结构看成是由许多有限大小、彼此只在有限个节点处相连接的有限单元的组合体。

然后，从单元分析人手，先建立每个单元的刚度方程，再用计算机对平衡方程组求解，便可得到问题的数值近似解。

用有限元法进行结构分析步骤是:结构和受力分析一离散化处理一单元分析一整体分析一引人边界条件求解。

有限元分析的前置处理
建立有限分析模型的过程，即前置处理是有限元分析的关键环节。

前置处理的功能主要包括:离散化网格模型的自动生成、网格的修改、拼接和节点编号的优化、载荷及材料数据的建立、边界条件的定义(零位移、已知位移、接触、磨擦等约束条件的处理)、模型数据检查与编辑修改、模型的图形显示等。

在对机械结构
进行有限元分析时，还要对所分析的结构进行简化，正确分析其受力情况，并对约束条件进行有效的处理，以便建立一个合理，正确的有限元计算模型。

一建立连杆三维有限元模型
建立计算力学模型的第一步是作结构分析和受力分析，合理地确定单元类型.对大型复杂结构，往往要选用多种单元进行组合模拟。

在结构分析时，简化是必需的，但不能因简化而失真，导致计算误差增大。

建模过程：（1）绘制连杆草图截面轮廓。

（2）建立连接杆尺寸约束。

（3）连接杆拉伸成型。

生成如下图工件建模图（1）。

工件建模图（1）
二施加约束条件
进行任何有限元分析都必须选择合适的单元类型，单元类型决定附加的自由度由于实际应用中机械结构常常很复杂，即使对结构进行了简化后，仍难用单一的单元来描述.因此在对机械结构进行有限元分析时，必须选用合适的单元并进行合理的搭配。

进行有限元分析首先对连杆工件进行受力约束，满足现实中连杆的受力约束条件如下工件约束图（2）：在结构分析时，简化是必需的，但不能因简化而失真，导致计算误差增大。

工件约束图（2）
有限元软件在几何建模完成以后便进行自动化网格划分，但没有考虑到边界条件和载荷分布情况对离散化过程的影响。

自适应网格划分技术，通过吸取专家分析经验，将边界条件与载荷状况作用于网格划分过程，对关键区域的网格进行局部细化，实现动态离散化过程，使有限元模型自适应不同问题的求解策略。

三添加载荷
该工件受的是均布载荷，承受的是侧面所受的力，受力添加如下图。

每个面的受力是1000N,均匀的添加在受力面上。

选择此项的载荷与每个所选平面正交。

受力如下载荷添加图（3）。

载荷添加图（3）
四计算结果及分析
主要对分析结果进行综合归纳，并进行可视化处理。

从分析数据中提炼出设计者最关心的结果，检骏和校核产品设计的合理性。

主要包括
(1)对应力和位移排序、求极值，检查应力和位移是否超出规定值.
(2)显示单元、节点的应力分布。

(4)应力、应变和位移的彩色浓淡图或等值线、等位面、剖切面、矢量图显示，绘制应力应变曲线等。

4.1连接杆静态位移图（4)
连接杆静态位移图（4)
连接杆受外力后发生形变，连接杆小端部分位移量最大是0.269MM。

受力面伸张，受力面对面收缩，发生弹性形变。

4.1 连杆应力分布图（6）
图（5）
连接杆应力分布图（6）
五分析结果
（１）最大等效应力出现在连接杆的大端以及与轴连接的区域，即图（5）中高亮区域，其值约为177.9Ｍｐａ，小于Ｑ２３５钢材的屈服极限２４０Ｍｐａ，因此此连杆的强度满足要求。

（２）连杆的最大等效应力远小于材料的许用应力，材料特性没有充分发挥出来，因此有必要对轴承座的形状进行优化，进一步提升材料利用率。

（３）连杆与轴相接触的地方存在应力集中，这对于连杆的使用非常不利，因此应当采用在各接触线或面做倒角的办法降低应力集中的程度。

根据所指定参数，在连杆的分析及计算中找到的最低安全系数(FOS)为
1.24017如下图（5）。

安全系数(FOS)是材料的屈服强度与实际应力的对比值.在SolidWork;中的有限元分析工具COSMOS中，使用最大等量应力标准来计算安全系数分布:当等量应力(von Mises应力)达到材料的屈服强度时，材料开始屈服，COSMOS中对某一点安全系数的计算是屈服强度除以该点的等量应力。

5.1 当某一位置安全系数小于1.0.表示该位置的材料已屈服，设计不安全。

5.2 当某一位置安全系数等于1.0，表示该位置的材料刚开始屈服。

5.3 当某一位置安全系数大于1.0，表示该位置的材料尚未屈服.
连杆的安全系数均大于1.0，从前面对零件结构分析和简化的原则，以及从零件的工艺性角度考虑，有必要对连杆的结构作进一步优化。

在对零件结构在优化的过程中，主要是从零件的工艺性角度去除材料来考虑，连杆改变后的结构为，那么重要的一个环节就是在材料、载荷和约束信息不变的情况下，对其结构重新进行有限元分析和检查
六心得体会
应用SolidWorks软件对该连杆施加约束和添加载荷，对该连接杆进行了强度和变形分析，找到了结构最容易破坏的位置，并且发现了材料特性发挥不充分的问题，为后续的优化设计提供了充分的理论依据。

我们做的题目是连接杆受载荷应力问题。

这需要用软件来进行建模分析和得出所需结果。

刚开始时对软件很不熟悉，只好慢慢来，一点一点地学习和突破，终于有了些感觉后便开始建模和一些后续处理。

直至后来把任务做完了，总的来说还是满意的。

通过学期的学习，我得出了两个结论。

第一，学习要有主动性。

比如说这次实训用的软件全是英文版，很多看不懂的单词，需要我们不断地琢磨和查阅相关资料，亦或问老师和同学。

一些命令的使用也需要花不少时间去领会，怎样才能做得好，用得活。

第二，要有一颗平常心去做事情。

在实训时会遇到各种各样的问题。

这时候保持良好的心态，不骄不躁，冷静客观地分析问题和解决问题。

由于时间的局促和水平的有限，本学期学习还存在不少问题，对Patran软件的操作也还很不熟悉，所以我就用SolidWorks完成这次的论文。

感谢黎老师的悉心指导和同学们的热情帮助、鼎力合作，使得这学期的CAE 课程圆满结束。

参考文献：（1）MSC上机指南.
（2）SlideWorks2006.清华大学出版社.2007,1,1第一版.。