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摘 要 本文介绍了基于ANSYS软件的有限元分析原理及其在结构中的应用，通过应用ANSYS软件对连杆机构进行分析，完成了对机械的强度校核，并根据优化原则和ANSYS软件的分析结果，一步步对连杆机构进行优化，然后分析，尽可能的减轻连杆机构的质量来减少连杆机构的转动惯量，来提高连杆机构的动态性能。
关键词 ANSYS；有限元法
中图分类号：TB1 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）20-0046-02
1 有限元理论
有限元可以从数学和机械两个方面来进行分析，从数学方面来看，即应用离散化的手段，针对不同的单元，应用相应的插值函数，并应用弹性力学的相关公式，求解出各单元应力、应变，如果所划分的单元足够的小，我们就可以认为它可以反映连续体各处的实际状态；从机械方面来看，通过把复杂连续体变成离散的单元来进行分析。
对于连杆有限元分析可以从如下两个方面；一是进行零件的机械强度分析，运动部件容易损坏，可以应用有限元法分析进行静力学分析，找出零件设计的薄弱部位，并根据分析结果进行设计改进；另一方面是进行机械结构设计优化，可以预先对一些可能的结构方案进行有限元分析计算，再根据对计算结果的分析和比较，在满足机械强度的情况下，减轻连杆机构的质量。
結构复杂零件所受载荷类型各不相同，而且大部分零件的载荷是随时间变化的，因此，如果想对结构进行设计和分析时比较困难的；并且单单的理论计算无法准确的反映出这些零件的实际情况。随着计算机技术的飞速发展，从而又很多新的理论和方法来进行结构设计和分析；其中包括有限元分析法，无论是简单的结构还是形状复杂的结构它都能分析得到比较准确的结果；被广泛的应用于设计和分析。
2 ANSYS有限元分析
ANSYS有限元分析软件中的静力学分析模块，可以用来分析当对一个被分析的对象施加一个外部载荷，可以求解除这个对象在外部在载荷的作用产生的应力，应变和变形；对阻尼及惯性的时间相关作用对被分析对象的响应不明显的可以用静力学来分析，运动ANSYS静力分析模块可以用来分析非线性问题，如蠕变、塑性、大变形和接触等问题。
本文主要应用结构静力分析功能，对于动力学分析、显式动力分析和结构屈曲分析模块不做阐述。
3 连杆机构有限元分析计算及后处理
3.1连杆机构的三维网格划分
釆用三维实体建模方法，利用PTC公司的三维模型建模软件Pro/Engineer和全参数化的三维模型造型方法完成连杆的三维模型实体建模，确保该三维建模和我们设计的实际结构一致，确保了后续分析和优化的结构的准确性；鉴于连杆的结构特点，采用默认的自适应网格划分，对应力可能集中的地方，手工干涉增加网格密度；考虑到分析精度以及结构边界的适应性，釆用六面体面体单元进行网格划分，共划分264个单元格，1654个节点。
3.2 静力学计算结果
静力计算选择工况为标定工况3000r/min，根据连杆机构的模拟结果，计算用最大受力取500N。在连杆机构大小头施加载荷，得到连杆在静压情况下的应力分布如图1和图2所示。
图1 连杆等效应力图
图2 连杆变形分布图
根据图1所示为连杆机构受拉时等效应力分布可知，应力集中在小头，最大应力为14.21 MPa；根据图2所示连杆机构受力的最大变形为0.018959 mm，连杆材料45号钢的抗拉强度为250 MPa，满足安全要求。
连杆机构的结构优化，对金属材料来说，当材料受到的应力低于材料的比例极限时，材料的应力-应变关系曲线是线形变化的；在应力-应变曲线中，当材料的等效应力小于材料的屈服强度的部分被称为弹性部分，如果材料的等效应力大于材料的屈曲强度时被称为塑性部分；当材料的等效应力大于材料的屈服应力时，材料会发生塑性形变；根据以上的静力学分析结果，连杆受拉压的最大应力小于材料比例极限，属于材料应力-应变关系曲线中的弹性部分。
图3 连杆等效应力图
图4 连杆变形分布图
为了减少连杆机构的转动惯量，增加连杆机构的灵活性，所以我们需要对连杆机构进行一些优化。从应力分析图上我们可以看出，最大的位置为连杆机构的根部，为了减少连杆机构的转动惯量，我们可以把连杆机构的大小头进行调换。通过改变连杆的受力和约束后重新对连杆进行有限元分析，根据图3可知，应力集中在大头，最大应力为20 MPa；根据图4所示为连杆机构受力的最大变形为0.018959 mm，从图中我们可以看出大小调换后连杆机构的最大应力为20 MPa，满足安全要求。
根据转动惯量公式，我们可以得出，这样优化可减少连杆机构的转动惯量，但是也可以看出目前的连杆机构的最大应力远小于45钢的许用应力，可以通过进一步的优化连杆机构的结构、减轻连杆机构的质量来减少转动惯量，通过对连杆机构的应力分析我们可以看出，两边的应力值较小，因此我们可以通过去除连杆机构两边的材料来减轻连杆机构的质量以减少转动惯量，并提高连杆机构的灵活性。利用PRO/E建模软件修改连杆的建模参数可以得到如图5所示的去除材料后的连杆机构的三维图，以及新的六面体网格划分。
图5 连杆三维视图
图6 连杆三维网格
把修改好的连杆机构重新进行有限元分析，得到连杆在静压情况下的应力分布如图7和图8所示的连杆的变形分布。根据图7的连杆受拉时等效应力分布所示，应力集中在大头，最大应力为13 MPa；根据图8所示连杆受静力的最大变形为0.034 mm，满足安全要求。
图7 连杆等效应力图
图8 连杆变形分布图
但是我们可以看出目前连杆的最大应力远小于45钢的许用应力250 MPa，我们可以通过进一步的有优化连杆的结构减轻连杆的质量来减少转动惯量，通过对连杆的应力分析我们可以看出，中间的应力值较小，因此我们可以通过去除连杆中间的材料和通过去除连杆材料的厚度来减轻连杆的质量，以减少转动惯量，提高连杆的灵活性。利用PRO/E建模软件修改连杆的建模参数可以得到新的去除材料后的连杆的三维图，以及如图6所示的新六面体网格划分。
把修改好的连杆机构用ANSYS重新软件进行有限元分析，得到连杆在静压情况下的应力分布如图9和图10所示的连杆的变形分布。根据图9所示的连杆受拉时等效应力分布（von Mises）可知，应力集中在大头，最大应力为41MP；根据图10所示的连杆受力的最大变形为0.1 mm，满足安全要求。
图9 连杆等效应力图
图10 连杆变形分布图
通过ANSYS软件分析，我可以分析出趋避的应力集中的位置，去除应力不集中的位置，减少连杆机构的质量，达到减少连杆机构的转动惯量的目的。经过优化的连杆机构质量为0.27 kg，优化前的连杆质量为1.23 kg，优化的连杆质量减少了78%，极大的节省了材料和提高了连杆的动态性能。
4 小结
本文主要应用PRO/E建模软件构建出连杆机构的三维模型，并应用ANSYS软件进行静力学分析，完成了对机械的强度校核，并根据优化原则和ANSYS软件的分析结果，一步步对连杆机构进行优化，然后分析，尽可能的减轻连杆机构的质量来减少连杆机构的转动惯量，来提高连杆机构的动态性能。
参考文献
[1]赵经文，王宏钰.结构有限元分析[M].北京：科学出版社，2001.
[2]R.D.Cook.有限元分析的概念和运用[M].北京：科学出版社，1981.
[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.
关键词 ANSYS；有限元法
中图分类号：TB1 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）20-0046-02
1 有限元理论
有限元可以从数学和机械两个方面来进行分析，从数学方面来看，即应用离散化的手段，针对不同的单元，应用相应的插值函数，并应用弹性力学的相关公式，求解出各单元应力、应变，如果所划分的单元足够的小，我们就可以认为它可以反映连续体各处的实际状态；从机械方面来看，通过把复杂连续体变成离散的单元来进行分析。
对于连杆有限元分析可以从如下两个方面；一是进行零件的机械强度分析，运动部件容易损坏，可以应用有限元法分析进行静力学分析，找出零件设计的薄弱部位，并根据分析结果进行设计改进；另一方面是进行机械结构设计优化，可以预先对一些可能的结构方案进行有限元分析计算，再根据对计算结果的分析和比较，在满足机械强度的情况下，减轻连杆机构的质量。
結构复杂零件所受载荷类型各不相同，而且大部分零件的载荷是随时间变化的，因此，如果想对结构进行设计和分析时比较困难的；并且单单的理论计算无法准确的反映出这些零件的实际情况。随着计算机技术的飞速发展，从而又很多新的理论和方法来进行结构设计和分析；其中包括有限元分析法，无论是简单的结构还是形状复杂的结构它都能分析得到比较准确的结果；被广泛的应用于设计和分析。
2 ANSYS有限元分析
ANSYS有限元分析软件中的静力学分析模块，可以用来分析当对一个被分析的对象施加一个外部载荷，可以求解除这个对象在外部在载荷的作用产生的应力，应变和变形；对阻尼及惯性的时间相关作用对被分析对象的响应不明显的可以用静力学来分析，运动ANSYS静力分析模块可以用来分析非线性问题，如蠕变、塑性、大变形和接触等问题。
本文主要应用结构静力分析功能，对于动力学分析、显式动力分析和结构屈曲分析模块不做阐述。
3 连杆机构有限元分析计算及后处理
3.1连杆机构的三维网格划分
釆用三维实体建模方法，利用PTC公司的三维模型建模软件Pro/Engineer和全参数化的三维模型造型方法完成连杆的三维模型实体建模，确保该三维建模和我们设计的实际结构一致，确保了后续分析和优化的结构的准确性；鉴于连杆的结构特点，采用默认的自适应网格划分，对应力可能集中的地方，手工干涉增加网格密度；考虑到分析精度以及结构边界的适应性，釆用六面体面体单元进行网格划分，共划分264个单元格，1654个节点。
3.2 静力学计算结果
静力计算选择工况为标定工况3000r/min，根据连杆机构的模拟结果，计算用最大受力取500N。在连杆机构大小头施加载荷，得到连杆在静压情况下的应力分布如图1和图2所示。
图1 连杆等效应力图
图2 连杆变形分布图
根据图1所示为连杆机构受拉时等效应力分布可知，应力集中在小头，最大应力为14.21 MPa；根据图2所示连杆机构受力的最大变形为0.018959 mm，连杆材料45号钢的抗拉强度为250 MPa，满足安全要求。
连杆机构的结构优化，对金属材料来说，当材料受到的应力低于材料的比例极限时，材料的应力-应变关系曲线是线形变化的；在应力-应变曲线中，当材料的等效应力小于材料的屈服强度的部分被称为弹性部分，如果材料的等效应力大于材料的屈曲强度时被称为塑性部分；当材料的等效应力大于材料的屈服应力时，材料会发生塑性形变；根据以上的静力学分析结果，连杆受拉压的最大应力小于材料比例极限，属于材料应力-应变关系曲线中的弹性部分。
图3 连杆等效应力图
图4 连杆变形分布图
为了减少连杆机构的转动惯量，增加连杆机构的灵活性，所以我们需要对连杆机构进行一些优化。从应力分析图上我们可以看出，最大的位置为连杆机构的根部，为了减少连杆机构的转动惯量，我们可以把连杆机构的大小头进行调换。通过改变连杆的受力和约束后重新对连杆进行有限元分析，根据图3可知，应力集中在大头，最大应力为20 MPa；根据图4所示为连杆机构受力的最大变形为0.018959 mm，从图中我们可以看出大小调换后连杆机构的最大应力为20 MPa，满足安全要求。
根据转动惯量公式，我们可以得出，这样优化可减少连杆机构的转动惯量，但是也可以看出目前的连杆机构的最大应力远小于45钢的许用应力，可以通过进一步的优化连杆机构的结构、减轻连杆机构的质量来减少转动惯量，通过对连杆机构的应力分析我们可以看出，两边的应力值较小，因此我们可以通过去除连杆机构两边的材料来减轻连杆机构的质量以减少转动惯量，并提高连杆机构的灵活性。利用PRO/E建模软件修改连杆的建模参数可以得到如图5所示的去除材料后的连杆机构的三维图，以及新的六面体网格划分。
图5 连杆三维视图
图6 连杆三维网格
把修改好的连杆机构重新进行有限元分析，得到连杆在静压情况下的应力分布如图7和图8所示的连杆的变形分布。根据图7的连杆受拉时等效应力分布所示，应力集中在大头，最大应力为13 MPa；根据图8所示连杆受静力的最大变形为0.034 mm，满足安全要求。
图7 连杆等效应力图
图8 连杆变形分布图
但是我们可以看出目前连杆的最大应力远小于45钢的许用应力250 MPa，我们可以通过进一步的有优化连杆的结构减轻连杆的质量来减少转动惯量，通过对连杆的应力分析我们可以看出，中间的应力值较小，因此我们可以通过去除连杆中间的材料和通过去除连杆材料的厚度来减轻连杆的质量，以减少转动惯量，提高连杆的灵活性。利用PRO/E建模软件修改连杆的建模参数可以得到新的去除材料后的连杆的三维图，以及如图6所示的新六面体网格划分。
把修改好的连杆机构用ANSYS重新软件进行有限元分析，得到连杆在静压情况下的应力分布如图9和图10所示的连杆的变形分布。根据图9所示的连杆受拉时等效应力分布（von Mises）可知，应力集中在大头，最大应力为41MP；根据图10所示的连杆受力的最大变形为0.1 mm，满足安全要求。
图9 连杆等效应力图
图10 连杆变形分布图
通过ANSYS软件分析，我可以分析出趋避的应力集中的位置，去除应力不集中的位置，减少连杆机构的质量，达到减少连杆机构的转动惯量的目的。经过优化的连杆机构质量为0.27 kg，优化前的连杆质量为1.23 kg，优化的连杆质量减少了78%，极大的节省了材料和提高了连杆的动态性能。
4 小结
本文主要应用PRO/E建模软件构建出连杆机构的三维模型，并应用ANSYS软件进行静力学分析，完成了对机械的强度校核，并根据优化原则和ANSYS软件的分析结果，一步步对连杆机构进行优化，然后分析，尽可能的减轻连杆机构的质量来减少连杆机构的转动惯量，来提高连杆机构的动态性能。
参考文献
[1]赵经文，王宏钰.结构有限元分析[M].北京：科学出版社，2001.
[2]R.D.Cook.有限元分析的概念和运用[M].北京：科学出版社，1981.
[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.