基于ANSYS的连杆架参数化分析优化

王水，王敏其 ，黄龙振，王菡珠 ，高至恺， 汤重九，陈传强

(1. 五洋纺机有限公司，江苏 常州 213100； 2. 南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

0 引言

曲轴连杆运动是经编机工作的重要传动装置，通过不同的曲轴和摇臂的连接，实现由一根主轴输入传动后梳节、针床、针芯、沉降台各自不同的运动但又达到协同作业的目的。曲轴连杆的定位精度和运行平稳性直接关系到产品的质量和经编机的作业寿命。

针对不同的需求可以选择各种优化方法。余刚珍[1]、何雨松[2]结合ANSYS结构拓扑优化技术，优化了各自零件性能并将零件减重；刘基冈[3]等人基于有限元进行了液压机的结构优化设计，优化结果设计的液压机结构最大应力减小23%,刚强度性能满足设计要求；詹威[4]、张东生[5]、潘锋[6]等结合模态分析对各自零件进行优化设计，最大限度地减轻了共振频率对产品运行的影响。由于连杆架本身尺寸不大，而且其端面上存在支撑板，拓扑优化已不适用，因此选取尺寸参数优化。通过简化建模，结合有限元采用参数化分析，选用Screening筛选优化方法，最终得到3种优选方案，结合模态分析得到最终方案。

1 连杆架参数化建模及模态分析

1.1 连杆架建模

某KS经编机的连杆架主要分为两个部分，一部分是与油箱进行螺栓定位的底座部分；另一部分是用于支撑连杆的支撑部分。主要参数尺寸为：底座为425mm×370mm的矩形，厚度为28mm，支撑板厚29mm，板间间距112mm，板距边界62mm，材料为QT600，其杨氏模量为1.69E+11N/m2，泊松比0.286，质量密度为7 120kg/m3，零件约52.3kg。在SolideWorks进行简化模型的建模，如图1所示。

图1 连杆架简化模型

1.2 ANSYS静态分析与模态分析

1) 原件有限元分析设置

结合零件在实际工作中的作业情况，应当考虑到其强度和变形能否满足要求，因此进行静态分析；再结合连杆架共振情况对定位精度的影响，因此还需进行模态分析，以进行固态频率表的检验。

将SolidWorks文件直接导入到ANSYS中，设置其材料为QT600，零件整体质量为50.193kg。用四面体网格划分，网格尺寸为10mm，在施加载荷的轴承座部分，如图1中标注所示，采取细密网格划分，网格单元为5mm，总共有34 799个节点，19 119个单元。连杆架在实际工作中并非出于自由状态，其上底面与油箱的外表面用螺栓进行固定装配到油箱内部，然后在连杆转动过程中，连杆架受到轴承的载荷。因此其主要约束为上壁的固定约束，主要载荷为轴承孔的轴承载荷，根据其设计参数给出轴承径向力Fr为7 180N,如图2所示。

图2 约束载荷加载图

2) 模型分析结果

由静态分析的结果得到，其最大等效应力为31.797MPa，总位移为0.029mm，等效应变为1.8×10-4mm/mm。其等效应力远远小于QT600的需用接触应力之值160MPa。可以看出在连杆架的设计上存在很大的过设计的问题，在尺寸上留下了很大的优化空间。

由模态分析结果得知，影响构件振动特性的主要是低阶模态，所以本文选取前6阶固有模态。其前6阶固有模态的频率如表1所示。从分析结果中可以看出，其1阶固态频率为438.28Hz，而机器工作时稳定转速为2 000r/min即33.33Hz,达不到其一阶固有频率，更加达不到往后的更高阶固有频率，说明经编机正常作业时连杆架不会产生共振。

表1 连杆架各阶固态频率

2 参数化建模ANSYS优化

2.1 优化模型的建立

为了进行结构优化设计, 首先建立优化设计的数学模型, 即在满足规定的条件下, 寻求一组最佳的设计参数, 选用ANSYS内置的Screening分析方法。

1) 设计变量X。确定4个设计变量：连杆架的底座长、宽、底座厚度和轴承座板的厚度作为参数，分别设置为DS_D1、DS_D2、DS_H1和DS_H2，如图1中的标注所示。

2) 目标函数 。最大总变形δmax<0.03mm，最大应力σmax<40MPa，min{M}：

g1(x)=δmax<0.03

(1)

g2(x)=σmax<40

(2)

G(x)=min{M}

(3)

3) 约束条件 。优化中约束条件为设计变量的取值范围 ：

DS_D1=425, DS_D1∈(380 480)

(4)

DS_D2 =370, DS_D2∈(276 390)

(5)

DS_H1 =28, DS_H1∈(10 31)

(6)

DS_H2 =29，DS_H1∈(15 32)

(7)

2.2 优化结果分析

在ANSYS中设置了上述参数取值范围，选定了以质量优化为目标，总形变和极限应力为约束，进行后台数据分析。计算结束后，ANSYS自动给出3种优选方案并得到如图3、图4的4种参数对连杆架零件最大总形变δmax和等效应力σmax的影响曲面图，图3中z轴为最大总变形δmax、图4中z轴则是等效应力σmax。图3和图4中，(a)图的x轴均为D1，y轴均为D2，(b)图中x轴均为H1，y轴

图3 各因素等效应力影响曲面

均为H2。由图3、图4可以看出，D2和H2的取值对于等效应力的影响较大，D2的影响曲线类似于一个二次函数，取值360mm取左右时，等效应力最小；而等效应力总是随着H2的减小而增大。在总变形方面，D1、D2、H2对其起着比较显著的影响。D1和D2的影响曲线可以近似可以认为是二次函数，分别在420mm和345mm左右取得最小值；总形变量随着H2的增大而减小。

图4 各因素对总变形影响曲面

经过ANSYS优化分析，可以得到3种优选尺寸方案，如表2所示。在有限元分析结果中，这3种方案在整体效果上趋于最优，分析结果如表3所示，结果符合在因素分析表中的影响曲线的取值。与初始零件相比，虽然最大等效应力和总位移方面相差不大，但是在质量上却是减少了很多。再结合这3种方案的模态分析选取最终的优化方案，模态分析数据见表4，可以看出3种方案的共振频率相差不大，均不在经编机作业频率附近。最终以质量最小原则，选取方案1，进行圆整如表5。

表2 3种优选方案尺寸表 mm

表3 3种优先方案有限元分析结果

表4 3种优选方案模态分析结果 mm

表5 优化前后方案尺寸对比

3 结语

通过对连杆架有限元静态分析和模态分析，并结合参数化分析其特征尺寸对其整体性能影响，在不降低其性能参数为前提的条件下，以减少质量为目的，优化了连杆架的底座长宽厚和支撑板的厚度设计4个特征尺寸，减重了45%。经工厂实际验证，优化尺寸符合要求。