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连杆的有限元分析与优化设计
作者：王伟
一、刖H
CAD（Computer Aided Design计算机辅助设计）的一个重要特征是提供了对新产品模型进 行分析、综合与评价的数值求解方法。当把设计对象描述为计算机内部模型后，研究如何 使产品达到性能要求、进行新产品技术指标的优化设计、性能预测、结构分析仿真的数值 求解方法称为CAE（Computer Aided Experiment计算机辅助分析），这种方法已成为 CAD/CAM （Computer Aided Manufacturing计算机辅助制造）集成中不可缺少的工程计算 分析技术。该技术中的核心计算方法是一种有效的数值分析方法一有限元分析。
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（图1）中的连杆。联轴部件 是应用在液压气动自控部件中的一个组成部分，在外力作用下，连杆带动轴作周期转动， 转动中推杆"联轴部件之外的零件）始终与轴中间不规则截面部分保持接触，使得推杆上下 运动，从而控制电磁阀开、关的动作。连杆为联轴部件中传递外力的主要零件，材料为合 金钢，控制端在<pA处与键及轴连接，承受外力在（pB处。该零件的毛坯是铸件。改进前的 结构要保证连杆（pA孔与其一侧平面有较高的垂直度，才能确保联轴部件中的连杆在带动 ，造成转动不流畅的现象，同时，连杆作为一个传 动零件，从经济性角度考虑，本身结构应当灵巧一些。改进后的结构会不会影响在承受相 同外力情况下零件的强度。这是本文利用有限元分析进行连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。
图1联轴部件
、有限元分析
1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（平衡或定常问题、动态或非定常问题），如:弹性力 学、弹塑性问题疲劳与断裂分析、动力响应分析、流体力学、传热、电磁场等问题。
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。
图2结构改变前后的连杆
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坏节。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。
建立计算力学模型的第一步是作结构分析和受力分析，