基于ANSSY的连杆机构动力学分析

雷 洁

(天津机电职业技术学院，中国 天津300131）

连杆机构是传递机械能的一种装置，在各种机械和仪器中获得广泛应用，连杆机构工作时受到随时间变化的动载荷作用，鉴于此，本文对连杆机构进行动力学分析，以优化连杆机构的质量，获得较小的转动惯量，减小运动过程中的冲击和振动，达到提高连杆机构运动平稳性，提高连杆机构动力学特性的目的。

1 整体研究框架

（1）采用PRO/E 三维软件构建了连杆机构的三维模型，为后续ANSYS有限元分析提供三维模型。

（2）采用Solid95 单元建立连杆机构的有限元模型，该单元对模型描述比较详细，计算结果的精度也好，而且可以很直观的看出结构各部位的应力分布状况，单元与单元之间的连接关系也比较容易处理。

（3）对连杆机构进行结构有限元静力分析。 这为连杆机构的优化设计提供了依据。

（4）对连杆机构结构进行结构有限元动力分析，计算出了前十阶固有频率和振型。 通过分析固有频率和振型，了解前十阶模态的振动情况，这有利于从根本上减少振动的产生，及时进行修改设计。

（5）在初始设计和分析基础上，利用ANSYS 软件中的优化模块对连杆机构进行优化设计。 找出使连杆机构满足强度、刚度要求的最优厚度值，从而减少连杆机构的总质量和转动关联，提高连杆机构的工作效率，降低生产成本，使连杆机构的结构更趋于合理。

（6） 利用ANSYS 分析软件对优化的连杆机构进行整体的运动分析，通过运动学分析， 可以计算出连杆机构在各个状态的受力情况和运动状态，并且验证静力学的分析和优化结果。

本文在静力学分析方面不做阐述，主要针对连杆机构动力学分析作以阐述。

2 ANSSY 动力学的求解过程简述

基于显式非线性动力分析通用有限元程序Flexible Dynamic 对机构进行计算分析，Flexible Dynamic 具有杰出的动力学计算能力，全自动接触分析功能可以求解变形体对变形体、变形体对刚体、板壳结构的单面接触、与刚性强接触等接触问题。

ANSYS 动力分析过程如错误！ 未找到引用源。 所示，主要分三个部分：

1）前处理

将CAD 模型倒入ANSYS，划分网格，生成有限元模型，然后定义Part 和接触类型，再进行边界条件和载荷的定义。

2）求解

完成前处理后开始设置求解控制参数，比如求解时间、结果文件的存储频率等。 设置完求解控制参数后可以开始求解。

3）后处理

求解完毕后可以查看结果，ANSYS 的后处理分析功能十分强大，可以分别进行通用后处理和时间历程后处理。 在通用后处理器中，可以观看整个模型在某一时刻的结果，包括描绘模型变形图和应力等值线、动画显示模型、受力变形情况等。 在时间历程后处理器中，可以得到所有节点和单元在整个时间历程的结果数据，包括节点位移、速度、加速度以 及节点和单元的应力、应变等等。

3 连杆机构动力学分析

基于显式非线性动力分析通用有限元软件ANSSY 对机构进行计算分析，ANSSY 具有杰出的动力学计算能力，全自动接触分析功能可以求解变形体对变形体、变形体对刚体、板壳结构的单面接触、与刚性强接触等接触问题。

3.1 连杆的动力学有限元分析前处理

由于实际的连杆机构相当复杂，必须进行适当简化才能进行动力学的有限元计算。 利用三维造型软件对连杆机构造型，导入ANSYS，建立模型如图1 所示。 釆用四面体10 节点单元， 对模型进行网格划分。共划分了36548 个节点，21507 个单元。连杆机构的三维有限元网格见图2 所示。

在连杆机构运动学中， 连杆的运动可以近似的看作是等速旋转的， 选择标定工况3000r/min 对连杆进行动力学校核计算。 边界条件的加载情况为： 在旋转杆处加1200N.mm 的扭矩； 并在连杆端加载100N 的工作阻力。

根据连杆的工作过程循环模拟结果得到连杆的应力值，如图3 所示。 横坐时间，单位为秒；纵坐标为应力值，单位为MPa。

3.2 连杆动力学有限元计算结果分析

在连杆机构运动过程中，由于转速较高，连杆及驱动轴处产生摆动、连杆转动时连杆与其载荷夹角发生变化引起应力变化等，所以出现单元应力波动的现象。 图 所示连杆在此处出现最大应力值的原因是由于连杆匀速转动时对连杆产生较大的拉应力。 由计算可知，连杆应力最大值约为30MPa，小于材料45 钢的屈服极限250MPa，设计满足要求。

动力学计算初始条件的处理表现在以下两个方面：第一，连杆匀速运动，由程序计算连杆各个节点的往复惯性力和旋转惯性力；第二，由于连杆作往复运动，由连杆机构运动学可得到连杆的加速度，并根据连杆质量求得滑块往复惯性力，惯性力与工作阻力合成加载到连杆销，这时的连杆载荷在不同连杆转角时都与实际情况较为接近。

结果表明连杆的危险区域分别为连杆的大头与杆身的过渡段，von-Mises 应力分布如图3 所示。

在动力学计算中，取现应力较大点处进行分析。 连杆大头与杆身过渡处节点，应力各个状态的如图5 所示。

4 总结

本文对对连杆机构进行动力学分析，由此得出连杆机构在各个角度下的应力分布图，经验证机构强度满足要求。 表明动力学计算结果具有一定的优越性，为连杆机构的轻量化设计提供了依据。

本文主要对连杆机构的有限元模型进行了有益的探讨。为了使本文更好的服务于实际设计开发工作，同时，也为本文的提高和完善，尚可在以下方面进行更深入的研究：

（1）当前的模态理论和方法都是建立在线性化基础上的，即不考虑实际系统结构所具有的各种非线性行为。因此，运用ANSYS 对连杆机构进行的模态分析，所得结果及结论仅能作为定性的参考，要想获得连杆机构更为精确的振动特性，还需要进行进一步的模态分析实验加以对照研究。

（2）本文所研究的优化设计仅局限于截面尺寸的优化，如果能对结构进行更深一步的形状和拓扑的优化，将取得更好的经济效果。

（3）对运动机构进行整机分析。 本文只是对连杆机构局部进行分析优化，并不是对运动机构进行整机分析，这样单独对连杆机构一部分结构进行分析，不能准确考虑其它机构对它的影响，计算出来的结果与实际状况会有一定偏差。实际应用中应该对运动机构进行整机分析，这样效果将会更好。

［1］张祖芳.开始压力机机身的有限元分析及其优化设计[J].东南大学，2004.

［2］R. D. Cook.有限元分析的概念和运用[M].北京：科学出版社，1981，9.

［3］陈国华.有限元法在内燃机中的应用[M].武汉:华中工学院出版社，1985.