用ANSYS进行四连杆机构的有限元分析

ANSYS中如何处理奇异性方法在有限元分析中(FEA)中，必须适当地简化实体,我们很少分析包含所有细节的实体。

由于计算条件限制了模型的规模，权宜之下，通常简化螺纹孔、倒角、安装凸台和其它一些并不重要的部分。

因为简化一些无关紧要的细节能使分析求解尽可能地高效，减少占用的ＲＡＭ、硬盘空间和ＣＰＵ时间。

但问题是，随着倒角和其它一些细节被简化，在它们邻近区域内计算出的应力值可能不准确。

比如用一个尖角代替倒角，尖角处产生奇异，导致该处有无限大的应力集中因子。

虽然奇异并不防碍ＡＮＳＹＳ在该处的应力计算，但计算的结果却不能反映真实应力，由于单元密度的疏密不同，计算的结果可能比实际值过高或过低。

虽然计算的应力值是不准确的，若位移值仍然是好的，且奇异产生的区域并不特别重要，该应力值则可以忽略，分析员可以放心的关注模型的其他部分。

有时，一些模型细节明显可以被简化，有时细节刚开始并不显得重要，但后来结果分析显示该细节是至关重要的，这也是应力分析学科的一个特点。

分析员必须运用他们的经验和直觉来判断设计细节的相关性能，确定它们能否被简化而不产生错误的结果。

我发现经验能使分析员的直觉灵敏，尽管如此，但仍可能出错，有时分析员并不能掌握细节的重要性，当他检查结果时才发现，简化了的细节其实是非常重要的。

象这样的情况，我们有几种选择方案。

一种是在模型中添加该细节重新计算，该方法适应于具有简单边界条件和相对比较简单的几何实体，并且重新分析所需要的时间也不太多。

如果第一次计算需要７０个小时，且任务紧迫，那么修改并重新计算整个模型并非是很好的方式，此时应该应用已有的结果来得出精确的应力。

完成该任务的方法之一是子模型法，在包含细节的相关区域建立子模型来计算精确的应力。

在ＡＮＳＹＳ在线文档中可获得子模型法，分析向导的“高级分析技术”章节中包含了ＡＮＳＹＳ可以完成的各种类型子模型例子，包括“shell-shell”、“shell-solid”和“solid-solid”。

第37卷 第1期2008年2月小型内燃机与摩托车S MALL I N TERNAL COM B UST I O N ENG I N E AND MOTORCYCLEVo.l37No.1Feb.2008基于ANS YS的连杆的三维有限元分析代伟峰 樊文欣 程志军(中北大学振动与噪声研究所 山西太原 030051)摘 要:用有限元软件ANSYS对某军用发动机连杆进行了三维有限元分析,确定了连杆的最大应力部位和疲劳安全系数,为此发动机连杆的可靠性设计提供了依据。

关键词:有限元分析 疲劳 连杆 应力 疲劳安全系数中图分类号:TK413.3 文献标识码:A 文章编号:1671-0630(2008)01-0048-03The3D Finite E lem ent Analysis of D iesel Engi neConnecti ng Rod Based on ANS YSDa iW eife ng,FanW enxin,Cheng Zhij unI nstitute o fV ibration Shock&No ise,North Un iversity of Ch i n a(Taiyuan,030051)Abst ract:I n this paper,w ith the ANSYS,the stress of the eng i n e connection r od is analyzed by usi n g3D fi n ite e le m entm ethod,and the positi o n of the m ax i m u m stress and t h e safe coe ffi c ient o f fati g ue are calcu l a ted. Based upon the results,the reliable design o f the connection rod is i m pr oved.K eyw ords:F i n ite ele m ent ana l y sis,Fati g ue,Connecti n g rod,Stress,Fati g ue safety factor引言连杆是连接发动机活塞与曲轴的一个重要零件,工作中经受拉伸、压缩和弯曲等交变载荷的作用,在发动机设计时,要保证连杆具有足够的结构刚度和疲劳强度。

基于ANSYS平台的四连杆门座起重机立柱及平衡系统金属结构有限元分析王红霞;王红勤【摘要】四连杆门座起重机是一种广泛应用于港口装卸的机械设备,立柱及平衡系统是门座起重机的重要组成部分,在门座起重机正常工作的过程当中扮演着重要的角色。

传统的设计方法设计出来的门座起重机较为笨重,造成很严重的材料浪费。

文章就以MQ4030四连杆门座起重机为例,利用有限元ANSYS分析软件,对起重机的立柱及平衡系统的金属结构进行静强度及刚度的分析。

通过各个工况下的应力云图及位移云图,进一步验证手算的正确性,并为进一步优化产品设计提供理论依据。

【期刊名称】《时代农机》【年(卷),期】2017(000)012【总页数】3页(P110-111)【关键词】四连杆门座起重机;立柱及平衡系统金属结构;有限元ANSYS静强度及刚度分析;优化产品设计【作者】王红霞;王红勤【作者单位】[1]河南工学院,河南新乡453003;;[2]广州大学华软软件学院,广东广州510990;【正文语种】中文【中图分类】U441四连杆门座起重机作为一种典型的旋转类型起重机（CAD模型如图1所示，实物如图2所示），被广泛应用于港口、码头货物的装卸，造船厂船舶的施工与安装及大型水电站建坝工程中。

金属结构在门座起重机的总重量中占有很大的比重，约占70%，金属结构的大小对起重机零部件的尺寸和重量、能耗、轨道基础和安装等费用都有很大的影响，因此如何减轻金属结构的重量显得尤为重要。

立柱及平衡系统在四连杆门座起重机正常工作的过程中扮演着重要的角色，为了使门座起重机正常的工作，同样必须把立柱及平衡系统也设计好。

有限元ANSYS做为一种结构分析软件，被广泛地应用于起重机金属结构设计过程当中来。

相对于以前传统的设计方法，有限元分析更直接地把结构件各个截面的应力和位移表示出来，这是传统的以力学和数学为基础的半理论半经验的设计方法所不能比拟的。

文章利用有限元分析软件对MQ4030四连杆门座起重机的立柱及平衡系统进行应力及位移分析，通过应力云图和位移云图，来进行结构优化设计，从而进一步验证设计的合理性，同时还可以大大缩短设计周期，降低生产成本，提高整机的经济效益。

基于ANSYS的平面四杆机构仿真的结构优化设计作者：焦晨航来源：《硅谷》2014年第24期摘要随着计算机技术的迅猛发展，结构优化设计方法也随之变更。

本文简要介绍了有限元分析的典型步骤和流程，并运用ANSYS软件，以曲柄摇杆机构为例，对平面四杆机构仿真的结构优化设计进行探讨，以期为进一步的动力学分析打下基础。

关键词 ANSYS；平面四杆机构；曲柄摇杆机构；优化设计中图分类号：TH112 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）24-0005-01平面四杆机构是连杆机构中最常见的机构组成，广泛应用于工程机械和农业机械中，对四杆机构仿真的结构优化设计进行研究具有重要意义。

平面四杆机构仿真的结构优化设计就是根据实际情况在计算机编程的帮助下建立起机构的数学模型，并通过运用一定的优化算法寻找既能很好解决约束条件又能使目标函数最优的设计方案，最终达到优化设计的目的。

有限元方法是结构优化设计的重要方法之一，实际应用中，我们可通过自行编制有限元程序或采用通用的有限元分析软件来进行。

基于ANSYS的平面四杆机构仿真的结构优化设计时有效的、可行的。

1 有限元分析的典型步骤和流程有限元法是一种高效能、常用的、离散化的数值分析方法，其典型步骤为：①将连续体离散成有限个单元（杆系的单元是每一个杆件，连续体的单元是各种形状）；②选择单元类型或位移模型；③利用变分原理推导单元刚度矩阵；④单元场函数的集合；⑤建立有限个待定参量的代数方程组；⑥求解方程组，得到位移矢量；⑦由节点位移计算出单元的应变和应力。

进行有限元分析，首先要决定分析项目、分析的几何结构、外界条件和外力，获取材料性质；其次，建立有限元模型，包括单元类型、材料性质，直接或间接生成有限元网格；再次，加载并求解，输出分析结果，若结果不合理，重新建立有限元模型，若合理，则进行改进处理，解决问题，得到最佳设计。

2 基于ANSYS平面四杆机构仿真的结构优化设计1）结构优化设计方法。

四杆桁架结构的有限元分析下面针对【典型例题】(1)的问题，在ANSYS 平台上，完成相应的力学分析。

即如图3-8所示的结构，各杆的弹性模量和横截面积都为4229.510N/mm E,E=29.5X10 2100mm A ，基于ANSYS 平台，求解该结构的节点位移、单元应力以及支反力。

图3-8 四杆桁架结构解答 对该问题进行有限元分析的过程如下。

以下为基于ANSYS 图形界面( graphic user interface ，GUI)的菜单操作流程；注意：符号“→”表示针对菜单中选项的鼠标点击操作。

关于ANSYS 的操作方式见附录B 。

1． 基于图形界面的交互式操作(step by step)(1) 进入ANSYS(设定工作目录和工作文件)程序 →ANSYS → ANSYS Interactive →Working directory (设置工作目录) →Initial jobname (设置工作文件名): planetruss →Run → OK(2) 设置计算类型ANSYS Main Menu : Preferences… → Structural → OK(3) 选择单元类型ANSYS Main Menu : Preprocessor →Element Type →Add/Edit/Delete… →Add… →Link ：2D spar 1 →OK (返回到Element Types 窗口) →Close(4) 定义材料参数ANSYS Main Menu : Preprocessor →Material Props →Material Models →Structural →Linear →Elastic → Isotropic: EX:2.95e11 (弹性模量)，PRXY: 0 (泊松比) → OK → 鼠标点击该窗口右上角的“ ”来关闭该窗口(5) 定义实常数以确定单元的截面积ANSYS Main Menu: Preprocessor →Real Constant s… →Add/Edit/Delete →Add →Type 1→ OK →Real Constant Set No: 1 (第1号实常数), AREA: 1e-4 (单元的截面积) →OK →Close(6) 生成单元 ANSYS Main Menu: Preprocessor →Modeling →Creat →Nodes → In Active CS →Node number 1 → X:0,Y:0,Z:0 →Apply →Node number 2 → X:0.4,Y:0,Z:0 →Apply →Node number 3 → X:0.4,Y:0.3,Z:0→Apply →Node number 4 → X:0,Y:0.3,Z:0→OKANSYS Main Menu: Preprocessor → Modeling → Create → Elements →Elem Attributes （接受默认值）→Usernumbered→Thru nodes→OK→选择节点1，2→Apply→选择节点2，3→Apply→选择节点1，3→Apply→选择节点3，4→Apply→OK(7)模型施加约束和外载添加位移的约束，分别将节点1 X和Y方向、节点2 Y方向、节点4的X和Y方向位移约束。

湘潭大学兴湘学院毕业设计论文题目：连杆机构的有限元分析全套设计，加153893706专业：机械设计制造及其自动化学号： 2010963028 姓名：指导教师：完成日期： 2014 年 5 月 25 日湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目：连杆机构的有限元分析学号： 2010963028姓名：专业：机械设计制造及其自动化指导教师：系主任：一、主要内容及基本要求1、总结连杆机构设计方法研究和连杆机构研究的发展状况和发展趋势，在总结前人研究成果的基础上，结合当前的技术发展趋势，采用有限元方法来进行开展研究。

2、阐述学习理论基础，即瞬态动力学分析,简要论述瞬态参数,识别原理。

3、简要论述有限元方法和动力学分析的基本求解过程，建立连杆机构中的曲柄滑块机构的有限元模型，合理的确定曲柄长度及转速、连杆长度和转速，偏距，选定和创建单元类型，指点单元属性，创建铰链单元，采用瞬态动力学分析瞬态分析类型对其进行瞬态分析，与图解法进行比较，验证有限元瞬态求解功能。

4、联系工程实际，对受力连杆进行结构静力学学习。

二、重点研究的问题1、 ANSYS的线性静力分析2 、构建几何模型3、在三维铰链单元COMBIN7的创建4、单元类型选择和网络划分5、 ANSYS瞬态动力学分析和静力学分析三、进度安排四、应收集的资料及主要参考文献[1]高耀东，刘学杰.ANSYS机械工程应用精华50例（第三版）.- 北京：电子工业出版社，2011.[2]孙波.毕业设计宝典.-西安：西安电子科技大学出版社，2008.[3]温正，张文电.ANSYS14.0有限元分析权威指南.-北京：机械工业出版社，2013.[4]欧阳周，汪振华，刘道德.毕业论文和毕业设计说明书写作指南.-长沙：中南工业大学出版社，1996.[5]华大年，华志宏.连杆机构设计与应用创新.-北京：机械工业出版社，2008.[6]胡仁喜，康士廷.机械与结构有限元分析从入门到精通.-北京：机械工业出版社，2012.[7]李红云，赵社戌，孙雁.ANSYS10.0基础及工程应用.北京：机械工业出版社，2008.[8]唐家玮，马喜川.平面连杆机构运动综合.-哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1995.[9]潘存云，唐进元.机械原理.-长沙：中南大学出版社，2011.[10]李皓月，周田朋，刘相新.ANSYS工程计算应用教程.-北京:中国铁道出版社，2003湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）评阅表学号2010963028 姓名谭磁安专机械设计制造及其自动化毕业论文（设计）题目：连杆机构的有限元分析湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）鉴定意见学号2010963028 姓名谭磁安专业机械设计制造及其自动化毕业论文77 页图表30 张目录摘要............................................................................................ 错误！未定义书签。

XXXXX毕业设计（论文）摘要众所周知，发动机是汽车一切非简单部件中最重要的部件之一。

而曲轴连杆作为发动机转换能源的重要零部件，承担着将燃料化学能转换为机械能的重点工作。

其主要作用是将来自于活塞的力传递给曲轴，使活塞的往返运动转化为曲轴的旋转运动。

在发动机运行时，连杆承受着复杂的载荷，其受力主要包含来自于活塞的压力、活塞及其自身往复运动的惯性力，而且对于这些力的大小和方向，其特征都是周期性变化的。

所以，这就要求强度及刚度对连杆都要满足。

故而需要对发动机连杆进行强度分析及结构优化。

由于计算机的快速发展，采用计算机辅助分析的方法来研究机械结构在工程领域中已广泛使用。

ANSYS是一款通用性很强且功用非常强大的有限元分析软件，故本文以ANSYS14.0为核心对发动机连杆进行了有限元应力分析。

本论文主要做了如下工作：（1）使用UG10.0软件建立了连杆的三维模型，导入ANSYS14.0软件划分网格，得到有限元分析模型。

（2）对发动机连杆进行静力学分析，得到了连杆拉压工况的的应力云图和位移云图。

（3）结合连杆受力情况，对连杆进行了结构优化设计，使其在满足相同强度条件的情况下减少重量，以达到减小惯性力及材料的目标。

本文借助于大型有限元分析软件ANSYS14.0对发动机连杆进行有限元应力分析，验证了连杆的性能及研究了连杆强度计算和优化设计方法，从静力学方面判断出连杆工作的可靠性。

关键词：曲轴连杆，有限元，强度分析，优化IXXXXX毕业设计（论文）ABSTRACTAs we all know, engine is one of the most important parts of all the complex parts of automobile. Crankshaft connecting rod, as an important part of engine power conversion, undertakes the core task of converting fuel chemical energy into mechanical energy.Its main function is to transfer the force from the piston to the crankshaft, so that the reciprocating motion of the piston can be transformed into the rotating motion of the crankshaft. When the engine works, the connecting rod bears harsh working conditions and complex loads. The force mainly comes from the gas force of the piston, the inertia force of the piston and its reciprocating motion, and the magnitude and direction of these forces show periodic changes. Therefore, it requires the connecting rod to have enough strength and stiffness. Therefore, it is necessary to analyze the strength and optimize the structure of the engine connecting rod.Because of the rapid development of computer, the method of computer aided analysis has been widely used in the field of engineering. ANSYS is a very versatile and powerful finite element analysis software, so this paper takes ANSYS14.0 as the core to carry out finite element stress analysis of engine connecting rod.The main work of this paper is as follows:(1) The three-dimensional model of the connecting rod is established by UG10.0 software, and meshed by ANSYS14.0 software, the finite element analysis model is obtained.(2) Static analysis of engine connecting rod is carried out to check the correctness of finite element model and boundary conditions, and stress nephogram which is in accordance with actual working conditions is obtained.(3) Optimized design of the connecting rod in combination with the force of the connecting rod, so that the weight of the connecting rod can be reduced under theIIXXXXX毕业设计（论文）same strength condition, in order to achieve the purpose of reducing inertial force and material.In this paper, the finite element stress analysis of engine connecting rod is carried out by means of the large-scale finite element analysis software ANSYS14.0. The performance of the connecting rod is verified, the strength calculation and the optimization design method of the connecting rod are studied, and the reliability of the connecting rod is judged from the static aspect.KEY WORDS：crankshaft connecting rod, finite element, strength analysis, optimizationIIIXXXXX毕业设计（论文）目录摘要 (I)ABSTRACT ......................................................................................................................I I 目录 . (IV)第一章绪论 (1)1.1论文研究背景和意义 (1)1.2有限元法研究现状 (1)1.3发动机连杆有限元分析研究现状 (2)1.4本章小结 (3)第二章有限元分析基础 (4)2.1有限元法介绍 (4)2.1.1有限元法发展历史 (4)2.1.2有限元法基本理论 (5)2.1.3有限元法分析步骤 (7)2.2ANSYS软件介绍 (9)2.3本章小结 (9)第三章连杆的受力分析 (10)3.1连杆受载情况及参数 (10)3.1.1连杆受力分析 (10)3.1.2已知参数 (11)3.2燃气压力计算 (11)3.3惯性力计算 (12)IVXXXXX毕业设计（论文）3.5连杆最大压应力工况受力分析 (15)3.6本章小结 (16)第四章连杆应力有限元分析与结构优化 (17)4.1连杆三维模型的建立 (17)4.1.1 UG10.0软件介绍 (17)4.1.2建立连杆三维模型 (18)4.1.3三维模型的简化 (19)4.2有限元模型前处理 (22)4.2.1三维模型的导入 (22)4.2.2材料参数的设定 (24)4.2.2单元类型的选择及网格划分 (25)4.3连杆载荷施加及边界条件 (28)4.3.1连杆载荷处理与分布 (28)4.3.1.1载荷处理 (28)4.3.1.2连杆大小端拉应力加载 (29)4.3.1.3连杆大小端压应力加载 (31)4.3.2连杆位移边界条件的确定 (34)4.4运算及结果分析 (35)4.5连杆结构优化分析 (37)4.6.1连杆优化概述 (37)4.6.2连杆优化分析 (38)4.6本章小结 (40)第五章总结与展望 (41)5.1工作总结 (41)5.2工作展望 (42)参考文献 (44)VXXXXX毕业设计（论文）致谢 (46)毕业设计小结 (47)VIXXXXX毕业设计（论文）第一章绪论1.1论文研究背景和意义以往对发动机的主要组成部件的受力分析，只能靠传统力学计算方法，大致反映这些零件受力状态，因为这些零件受力复杂且形状不规则，比如活塞、连杆、气缸、曲轴等。

基于ANSYS软件的内燃机连杆的有限元分析R A Savanoor1, Abhishek Patil2*, RakeshPatil3 and Amit Rodagi2*Corresponding Author: Abhishek Patil,pabhishek170@连杆是连接活塞和曲轴的中间的连接部分的结构。

连杆的作用主要是负责传递推动和拉动的活塞销和曲柄销运动，从而将活塞的往复运动转化为曲轴的旋转运动。

一般连杆生产中使用的材料常见的是碳钢和铝合金连杆。

在本论文中我们在比较两种不同类型的碳钢和铝合金连杆的冯•米塞斯应力和总变形。

老驴三个材料参数进行有限元分析。

如，Von米塞斯应力和位移都从ANSYS软件中获得。

然后比较了铝合金和锻钢这两种不同的材料。

然后发现Al5083合金重量比较轻。

这导致连杆的重量减少63.19%。

关键词：连杆，活塞的往复运动，V on米塞斯应力，ANSYS简介连杆连接活塞与曲轴，它们形成了一个简单的机构，将直线运动转化为旋转运动。

由于活塞的推力，最大的应力出现在连杆的活塞端附近。

除承受燃烧室燃气产生的压力外，还承受纵向和横向的惯性力。

因此，连杆在一个很复杂的盈利状态下工作。

它即受交变的拉力、压应力又受弯曲应力。

连杆的主要损坏形势是疲劳断裂和过量变形。

连杆的工作条件要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能，又要求具有足够的刚性和韧性。

所以，在连杆外形、过度圆角等方面需严格要求，还应注意表面加工质量以提高疲劳强度。

拉伸应力和压缩应力是由于气体压力和弯曲应力的产生的，是由于离心力的作用，产生的偏心力。

因此，连杆的设计一般I-section提供的最大的刚度，能够在活塞端部获得最大应力并且增大刚度可以减少活塞端部的材料收到的应力，而且可以减轻连杆的重量。

曲轴连杆机构运动件的重量优化设计，不仅是节省材料及发动机重量降低，运动件质量对改善发动机整体的工作状况特别有效，ANSYS 形状优化的功能可以对活塞内腔、活塞销孔、连杆形状、曲轴圆角和曲柄臂尺寸进行优化设计。

三.利用ANSYS软件进行动臂（四连杆）优化设计3.1有限元模型建立装载机整机的有限元模型是主要是针对力作用的直接部件进行的，主要包括装载机机身上的转台、主要工作部件铲斗、带动铲斗动作的动臂、动力件油缸、以及运动件连杆和摇臂组成。

在实际建模过程中，通常要求设定材料的性能参数与母材相同，这样做的原因是要对各构件的焊接接头进行连续处理，更为重要的一点是为了在后续精力分析中可以有一个光顺的网格划分，在进行有限元模型的建立中，为了更快捷的进行后续计算，以不至于施加于计算机太多计算负荷，将其中不影响结果数据的螺纹孔、倒角等结构进行了移除。

组件几何模型如图3.1所示。

图3.1 工作装置几何模型根据实际情况定义相应材料的性能，包括：弹性模量e = 2.06×106pa，泊松比μ= 0.3，密度ρ= 7850kg / m3。

每个部件均由solid186单元模拟，接头处的销轴由beam188单元模拟，联接单元由销轴与轴套之间的运动关系模拟，而液压缸则由连杆单元模拟。

通过设置诸如截面积，弹性模量和密度之类的参数来实现对实际液压缸的仿真。

要求将元素尺寸控制在15mm〜20mm之内，并在销轴上局部细化网格，这可以提高计算精度。

最后，为了以危险的姿势获得工作装置的整个有限元模型，需要组装每个部件的有限元模型。

有限元模型包括266783个单元，其中包括266638个实体单元，142个梁单元，3个杆单元和444467个节点。

最后，如果装载机转盘需要完全约束，则应采用边界条件。

通过上述过程计算得出的切向和法向挖掘阻力将作为有限元模型中的外部载荷应用于铲斗尖端，如3.2所示。

图3.2 工作装置有限元模型及边界载荷3.2工作装置静强度分析结果据了解，装载机的材料为 q460c 钢，屈服极限为[ ]=235×106 Pa。

结果表明，工作装置的最大应力为802mpa，该应力发生在提升臂的上吊耳的铰孔和铲斗杆的油缸，远远超过了材料的屈服极限。