连杆的有限元分析与优化设计

    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φA处与键及轴连接，承受外力在φB处。该零件的毛坯是铸件。改进前的结构要保证连杆φA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轴旋转的过程中.侧平面不会与端盖接触，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。

    二、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。