（机械制造及其自动化专业论文）基于prom下的连杆结构分析及其性能优化设计.pdf

硕士学位论文 摘要 计算机技术的发展推动了产品设计的多样化。企业只有不断保持产品创新， 才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。c a d c a m 技术是实现创新的关键手 段，而c a e 是实现创新设计的最主要技术保障。在计算机技术迅猛发展的今天， 要求企业把产品设计与三维仿真及有限元分析系统有效的结合起来，以达到制造 业高效、低成本、自动化的市场要求。 在柴油机的曲柄连杆机构中，连杆工作的可靠性问题一直是人们在柴油机研 究和改进过程中关注的热点问题。在动力系统中，连杆是承受负荷最严重的零件 之一，在高温高压的工作环境中，同时承受着活塞传来的气体压力、往复惯性力 和它本身摆动时所产生的惯性力的作用，这些力的大小和方向周期性变化，很容 易引起连杆的疲劳破坏。因而设计重量轻而且具有足够强度的连杆对现代柴油机 设计有着举足轻重的作用。 以p r o e 为设计工具、以p r o ，m e c h a n i c a 为分析平台，对柴油机连杆进行 结构分析及其性能优化设计。 在p r o e 中，分析了连杆的结构特点，总结出连杆设计中的主要结构特征， 将基于特征的建模技术应用于连杆有限元分析中，讨论了连杆建模方法，建立了 连杆三维实体分析模型。 以p r o 砸c h a n i c a 为分析平台，运用有限元分析方法，对柴油机连杆实 际受力情况、边界条件和施加载荷进行研究。通过分析计算，确定了连杆的拉伸 与压缩载荷最大应力。其中，用结构( s t r u c t u r e ) 分析工具对连杆优化参数进行灵 敏度分析，在满足优化约束的条件下，对连杆的结构进行优化设计，减小连杆的 重量。结构优化后的尺寸组合减少了应力集中现象，从而有效地解决了在实际工 况下由于应力集中导致连杆断裂破坏的这一主要问题。对连杆的模态分析，计算 其固有频率。 将有限元技术与结构优化设计相结合，在连杆最大工作应力满足许用应力的 条件下，优化连杆结构参数，达到目标函数一质量最小。结果表明设计较精确， 能满足柴油机连杆的实际工况要求。 关键词：连杆；p r o ，m e c h a n i c a ；应力；灵敏度：优化设计；模态分析 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g yh a sd r i v e nt h ep r o d u c td e s i g n d i v e r s i f i c a t i o n o n l yk e e p i n gp r o d u c ti n n o v a t i v ea b i l i t yu n c e a s i n g l y , c a n t h e e n t e r p r i s e sb a s es e l fo ns u r eg r o u n di nf i e r c em a r k e tc o m p e t i t i o n t h ec a d c a m t e c h n o l o g yi st h ek e ym e a n st or e a l i z ei n n o v a t i v e ，c a et e c hi st h em a i nt e c h n o l o g y g u a r a n t e et or e a l i z et h a td e s i g n s t o d a y , d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g yi s s w i f ta n dv i o l e n t ，i tr e q u i r et h a te n t e r p r i s et oi n t e g r a t ep r o d u c td e s i g nw i t hf i n i t e e l e m e n tm e t h o da n dt h r e e - d i m e n s i o n a ls i m u l a t ea n a l y s i ss y s t e me f f e c t i v e l yt or e a c h t h em a r k e td e m a n d so f m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yh i g h e f f e c t ，l o wc o s t ，a n d a u t o m a t i o n i nm e c h a n i s mo fc r a n k c o n n e c t i n gr o d ，t h ec o n n e c t i n gr o dr e l i a b i l i t yp r o b l e mi s a l w a y st h eh o ts p o tp r o b l e mt h a tp e o p l es h o wr e s e a r c h e sa n di m p r o v e m e n tf o r i n d i e s e ld r i v i n gf o r c es y s t e m ，t h ec o n n e c t i n gr o di so n eo ft h eg r a v e s tp a r tb e a rl o a d ，i t b e a r st h ef o r c ep r o d u c e db yg a sp r e s s u r ea n dt h ei n e r t i a lf o r c em o v i n gb a c ka n d f o r t ha n di t ss e l fs w i n ga tt h es a m et i m e ，t h e s ef o r c e ss i z ea n dd i r e c t i o nc h a n g e c y c l i c a l l y , s oi ti sv e r ye a s yt oa r o u s ef a t i g u ed e s t r o y s c o n s e q u e n t l y ，d e s i g nal i g h t a n ds u f f i c i e n ts t r e n g t hc o n n e c t i n gr o dh a sap o w e r f u lp o s i t i o nt om o d e r nd i e s e l t h es t r u c t u r a la n a l y s i st a k i n gp r o ea s d e s i g ni m p l e m e n t ，t a k i n gp r o ma s a n a l y t i c a lp l a t f o r m ，b e i n gi np r o g r e s st oc o n n e c t i n gr o da n a l y s i so ft h es t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so ft h eo p t i m i z a t i o nd e s i g n i np r o e ，t h et h e s i sa n a l y s e st h ec o n n e c t i n gr o ds t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c ，s u m s u pm a i ns t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co fc o n n e c t i n gr o di nd e s i g n i n gt h a t ，a n dt a k e sm o d e l t e c h n o l o g yt h a tb a s e dc h a r a c t e r i s t i ca p p l yt oc o n n e c t i n gr o df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， d i s c u s st h em o d e l i n gm e t h o do fc o n n e c t i n gr o d ，a tl a s t ，b u i l d st h e3 - dm o d e lo f c o n n e c t i n gr o d t h et h e s i st a k e sp r o ma sa n a l y t i c a lp l a t f o r m ，a p p l i e sf i n i t ee l e m e n tm e t h o dt o s t u d yt h ed i e s e lc o n n e c t i n gr o dr e a l i t yf o r c ec o n d i t i o n ，t h eb o r d e rc o n d i t i o na n d e x e r t s l o a d t h r o u g ha n a l y s i s a n dc a l c u l a t i o n ，l o c a t et h em a x i m a ls t r e s sa n d d i s p l a c e m e n t a m o n gt h e m ，t h ed i m e n s i o np a r a m e t e ri s c a r r i e do u ts e n s i t i v i t y a n a l y s i sb ys t r u c t u r a la n a l y s i si m p l e m e n t ，f i n do u tt h el a wt h a tm a x i m a ls t r e s s c h a n g e s w i t hd i m e n s i o n p a r a m e t e r , d i m i n i s h t h em a x i m a ls t r e s sv a l u eo f c o n c e n t r a t i n gp o i n tb yt h ef a c tt h a td i m e n s i o nc o n s t i t u t e sa f t e rt h es t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o n ，r e s o l v et h ep r i m a lp r o b l e md e s t r o y i n gu n d e rw o r k i n gc o n d i t i o ns i n c e n 硕士学位论文 s t r e s sc o n c e n t r a t i o nl e a d st oc o n n e c t i n gr o df r a c t u r ee f f e c t i v e l y m o d a la n a l y s i sa n d c a l c u l a t et h ef r e q u e n c yo fc o n n e c t i n gr o d c o m b i n es t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nw i t ht h ef i n i t ee l e m e n tt e c h n o l o g y b e l o wt h e p e r m i t t e dw o r kp r e s s u r e ，r e a c ht h em i n i m u mt a r g e to f f u n c t i o n - m a s s t h er e s u l t s h o w st h a tt h ed e s i g ni sp r e c i s e ，a n ds a t i s f yt h ec o n n e c t i n gr o dw o r kc o n d i t i o nn e e d k e yw o r d s ：c o n n e c t i n gr o d ：p r o m e c h a n i c a ；s t r e s s ；s e n s i t i v i t y ；o p t i m i z a t i o n d e s i g n ：m o d a la n a l y s i s 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担a 作者签名： 傺萄久缮 日期：2 。佴朝矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密戳 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：，7 年胡罗日 日期：吵年霸扩日 第1 章绪论 在当今工业社会中，发动机广泛应用在能源采掘、交通运输、机械制造等行 业中，在发动机家族中，柴油机具有热效率高，适应性好，功率范围广等优点， 因此无论是在工业上还是农业方面都得到了广泛的应用。对于我国这样一个农业 大国来说，柴油机的发展水平对农业的发展起着相当重要的作用。 1 1 课题的目的及所研究的内容 连杆作为柴油机构件中一个重要组成部分，其作用是将活塞的往复直线运动 变成曲轴的旋转运动，并在活塞和曲轴之间传递作用力。在工作中，连杆除了工 作环境恶劣外，其受力状况还十分复杂，经受拉伸、压缩和弯曲等交变载荷的共 同作用。随着柴油机向高速化、紧凑化方向发展，柴油机主要零部件的载荷和工 作条件也更加苛刻，疲劳破坏是连杆出现较多的故障之一。 以往对连杆的结构设计以传统的安全系数法为主，即以安全系数的大小作为 评判结构安全性的标准，此评判标准简单并有一定的实践依据，但其缺点是对结 构设计的安全性缺乏定量指标，并带有一定的盲目性乜“1 。此外，安全系数法还 有一个很大的局限性，即无法确定隐患因素的具体根源，不能从积极的方面对结 构进行改进设计，不能提出防止结构故障和失效的有力措施“。 有限元技术的出现，为工程设计领域提供了一个强有力的计算工具。经过半 个多世纪的发展，它已日趋完善，在几乎所有的工程设计领域发挥着越来越重要 的作用。柴油机零部件的设计是有限元技术最早的应用领域之一。有限元技术的 应用提高了柴油机连杆设计的可靠性，找到了连杆实效的主要原因，能够缩短产 品设计周期，大大推动了柴油机工业的发展哺】。近几年来，随着计算机软件水平 的提高，大型有限元软件的前后处理能力不断加强，采用现代设计理论和方法对 柴油机连杆进行研究，为柴油机提供了最优化设计的连杆。 1 2 国内外研究现状与分析 1 2 1 国外状况 自有限元的概念提出以来，五十多年来得到了巨大的发展。相应地，市场上 也出现越来越多的成熟的商品化大型通用分析软件，如n a s t r a n 、m a r c 、 a d i n a 、a n s y s 、这些软件的分析功能强，适应面宽、可靠性高，因而在国内 赢得广大用户。随着有限元分析的微机化以及它在c a d 环境下日益占有支配地 基于p r o mf 的连杆结构分析及其性能优化设计 位的作用，这种分析在工业生产活动中具有缩短研究周期，降低研制成本，提高 产品质量等重要作用，也愈来愈得到工程界的公认。有限元网格模型的建立是采 用有限元法求解问题的先决条件。在整个求解过程中，它通常具有最大的工作量。 随着有限元技术的广泛使用，有关有限元网格生成技术和可视化研究得到发展。 目前柴油机零部件有限元分析课题基本集中在应力位移场分析、温度场分析及振 动分析三个方面。 另外，基于有限元分析结果的结构疲劳寿命预测也已逐渐发展起来阻1 。国外 许多著名发动机研究机构如奥地利a v l 研究所、英国g i e a r d o 研究所、美国a t a c ， 以及主要发动机生产厂商如美国g m 、f o r d 、日本n i s s a n 、t o y o t a 、德国 m t r 等广泛开展了发动机零部件的有限元分析，发表了大量的研究报告和论文。 分析的零件小到橡胶密封圈，大到整个机体、缸盖、几乎涵盖了所有需要分析的 零件。 近几年来，柴油机零部件有限元分析的一个特点是分析更加精确细致，特别 对小型零部件开始采用非线性模型进行接触问题的分析研究阳”1 。柴油机零部件 有限元分析的另一个特点是需要先进的前处理技术和高配置硬件设备，以进行大 规模复杂零部件的分析。这类零件主要包括曲柄连杆机构及其固定件。曲轴、连 杆、活塞的计算已经在原来二维模型的基础上，进行三维模型的分析，充分考虑 零件细节对零件应力分布或温度分布的影响。机体的刚度、强度分析及噪声预测 己经用于机体的结构修改研究。缸盖的分析曾一度集中于温度场及温度应力场的 研究；近年由于高强化要求的不断提高，某些缸盖的机械应力( 即安装预紧力和 燃气爆发力对缸盖的作用) 也已成为决定其强度的主要因素之一，机械应力有限 元分析结果己用于缸盖结构方案选型。在软件一般借助大型的c a e 集成化软件 包或采用大型c a d 软件与专业有限元分析系统相结合的方式。 动态响应分析是近年来有限元分析的一个重点，它推动了连杆由传统静态设 计向动态设计的发展。连杆的动态特性分析是静态设计的补充和发展，是对连杆 结构进行合理设计、提高使用可靠性的重要手段。文献 1 1 采用三维有限元方法 对4 1 0 8 q 型柴油机的连杆进行了动态特性分析，认为连杆的动态设计不仅要满 足连杆自身的需要，还应与连杆、曲轴和机体三者所组成的激励传递系统的动态 特性有机结合起来统一考虑。文献 1 2 对连杆进行了瞬态响应分析，为设计出满 足强度、刚度要求的连杆提供了参考依据。有限元法已经成为结构优化设计中灵 敏度分析、约束函数计算的常用方法。 1 2 2 国内状况 基于有限元法的结构优化分析是近年c a d c a e 领域的一项重要研究课题。 随着国内外汽车工业市场竞争日趋激烈，国内各厂家纷纷把当代最先进的c a d 2 硕士研究生论文 软件应用到自己的产品开发和设计中。从1 9 9 3 年开始，一汽集团连续三年投巨 资引进工作站及其配套的c a d c a e c a m 系统，引进了美国p t c 的 p r o e n g i n e e rc a d 系统、法国m a t r a 公司的e u c l i dc a d 系统、有限元分析 软件p a s t r a n ，f e n b 和有限元前后处理软件x l ，经过几年推广应用，一汽集 团的产品设计基本实现了c a d ，能够进行装配干涉检查、运动学动力学仿真和 整车碰撞模拟等。 我国发动机行业在柴油机c a d 方面的研究、开发也已有十多年的历史，特 别是“七五”期间，国家重点科技攻关项目“中小功率柴油机产品c a d 系统的 研究与开发”课题的完成，使我国发动机c a d 研究、开发水平与国际差距明显 缩小。而柴油机行业的应用水平，从整体上看，和国际上全面、普遍、深入的应 用趋势相比，差距却在拉大，尤其是在c a d c a e c a m 集成研究与应用方面的 工作还刚刚开始。目前国内企业所引进的高级c a d 软件，大多数只是应用其三 维绘图能力，使其变成了“三维电子图板”，并没有针对自身产品的特点开发出 专用的、效率更高、功能更完善的计算机辅助设计系统，缺乏自主开发能力。运 用国内外的开发经验和已有的成果，结合本行业设计经验及工艺条件，由发动机 和计算机等多方专业技术人员配合，进行原型移植和二次开发，才是我国柴油机 行业计算机辅助设计的发展道路，国内已有大连理工大学冯立岩博士、薛冬新博 士等人在这方面进行了有益的探索并取得一些重要成果。 1 3 课题研究目标、研究内容和拟解决的关键性问题 1 3 1 研究目标 p r o e n g i n e e r 软件是美国参数技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p o r a t i o n ， 简称p t c ) 开发的产品。其中的p r o m e c h a n i c a 模块( 简称p r o m ) 可以进行有 限元结构分析。用户在p r o e 环境下完成零件的三维建模后，无需退出设计环境 就可以进行有限元分析n ”，这是目前绝大多数有限元软件所不能做到的。在此 之前，机械设计工程师进行有限元分析时，首先需要利用几何建模功能强的软件 对零件进行建模，然后利用i g e s 格式或者s t e p 格式将数据导入有限元分析软 件进行分析。这样做的最大弊端是数据的丢失，因此分析人员常常花费大量的时 间和精力进行几何模型的修复“。由于p r o e 全参数化设计思想贯穿整个设计的 每个环节，因此利用p r o m 还可以进行模型的灵敏度分析、优化设计以及动力 学分析。 本文以r 1 7 5 柴油机连杆为研究对象，在p r o e 集成模式下运用p r o m 对连 杆进行有限元分析，得出了连杆的应力分布状况，根据有限元计算结果对连杆的 可靠性进行验证，避免了原连杆疲劳安全系数估计过于随机、盲目的问题。 基于p r o m 下的连杆结构分析及其性能优化设计 1 3 2 研究内容 p t c 公司开发的有限元分析软件p r o m 有集成工作方式和独立工作方式两 种。在集成工作方式下，用户可在c a d 模型构建后，不脱离p r o e 环境就能对 几何模型进行有限元分析。p r o m 有三个块，即结构分析块、运动动力学仿真块 和热传导分析块。利用结构分析块可以进行结构分析和优化设计等。利用运动动 力学仿真可以进行机构的运动学分析、动力学分析、三维静态分析和干涉检查。 利用热传导分析可以进行零件的稳态和瞬态温度场分析。 主要的研究内容有： 1 研究基于特征技术连杆的三维建模方法，包括特征的定义、分类，特征的 约束、组合关系和特征编辑的方法等。讨论连杆的基于特征的实体建模方法。 2 以p r o m 为分析平台，运用有限元分析方法，对柴油机连杆工作状况中 的实际受力情况、连杆的有限元网格划分、边界条件的确定和施加进行研究。 通过应力分析和显示应力云图，确定连杆的最大主应力、最大主应变部位( 即 连杆的应力集中点) ，为连杆灵敏度分析提供依据。 3 根据应力集中点的尺寸设计参数对连杆进行灵敏度分析，找出产生连杆应 力集中现象的主要原因，应力集中是造成连杆断裂的主要原因。 4 讨论连杆结构优化设计的方法，根据优化目标和参数值的设定，对连杆进 行最优化设计。 5 对连杆进行模态分析，研究其固有频率，同当今流行的有限元分析软件 a n s y s 进行比较，验证结果的准确性。 1 3 3 拟解决的关键性问题 1 网格划分对单元的密度有一定的要求，对于非常粗糙的网格模型，仅靠提 高单元的阶次可能无法得到问题合理的解，必须具有相当的密度或提高单元 的阶次，这就增大了计算量。六面体单元的使用可以在较小的计算规模下达 到较高的计算精度，但难以实现该种单元的网格自动划分。尽管位移约束法 在一定程度上解决了这个问题，但六面体单元的自动网格完全划分仍是有限 元前处理技术方面的一个难点，本文采用四面体自动划分方式。 2 柴油机连杆的受力状态一般都比较复杂。因而要想全面准确地确定边界条 件非常困难，特别是进行动态分析或温度场分析，确定诸如激励与热交换等 边界条件时，问题更为突出。所以必须对连杆在建立模型时进行适当的简化， 在受力分析时对载荷加载形式进行简化替代。尽管人们为此作了许多努力， 但还难以尽如人意。 3 目前，柴油机工程中的结构优化设计己广泛使用二维结构优化设计方法， 并正在向三维的结构优化设计方向发展，但由于一些零件的三维形状较为复 4 硕士研究生论文 杂，要较好地优化设计其结构就不得不增加优化设计变量的数目，这就使得 计算量急剧上升。而且优化设计变量的增多，有限元网格的边界节点是在不 断的变化，从而很难保证网格能在较大范围内变动而不发生过分歪斜，所以 通常只是做局部三维优化设计。p r o m 能够进行局部全局与灵敏度分析的优 化设计，能够筛选灵敏参数，简化了计算过程，能进行复杂结构的优化设计， 而且计算的速度比a n s y s 要快。 1 4 课题的试验方案及其可行性分析 在p r o h 与p r o m 的集成模式下，对连杆的c a d 模型进行有限元分析和结 构优化设计，进行结构分析改进，从而完成新的设计方案。即在模型构造后，利 用功能仿真模块( m e c h a n i c a ) 对产品的各项功能进行有限元分析。在分析过程 中，事先要建立设计参数的评价标准，由p r o m 来计算模型的动静态数值。具 体包括结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动动力学仿真。结构与过程 优化设计用来保证产品功能、工艺过程的基础上，使产品、工艺过程的性能最优； 结构强度与寿命评估用来评估产品的强度设计是否可行，可靠性如何以及使用寿 命为多少；运动动力学仿真用来对c a d 建模完成的模型进行运动学仿真与动力 学仿真1 。 在这种更严格的要求下，定义分析任务成为优化设计的前提。零件总是在一 定的工作环境下发挥作用的，特定的工作环境参数有诸如温度、压力、载荷等， 自身的性能参数有体积、重量、固有频率等。根据p r o m 的处理结果进行优化 设计，这种改进不是随意的，而是建立在科学判断的基础上的，所以优化具有针 对性。 p r o m 软件的3 个模块如下； 1 p r o 瓜便c h a n i c as t r u c t u r e结构分析模块 可以进行机械零件、汽车结构、航空结构等的结构分析和优化设计。它能够 完成的分析种类有静力分析、模态分析、屈曲分析、疲劳分析非线性大变形分析。 其中疲劳分析能让工程师在产品生命周期的早期，预测和提高他们设计的疲劳性 能。该工具能够减少设计反复和对多个原型昂贵的测试程序。 2 p r o i e c h a n i c am o t i o n运动分析模块 可以进行机构的运动学分析、动力学分析、三维静态分析和干涉检查。 3 p r o ，姬c h a n i c at h e r m a l热力分析模块 可以进行零件的稳态和瞬态温度场分析。其分析数据可以返回到结构分析模 块，进行灵敏度分析和优化设计。 基于p r o m 下的连杆结构分析及其性能优化设计 1 5 课题来源及本文的研究工作 本课题是自选课题，源于太原矿山机器集团技术革新项目“r 1 7 5 柴油机的 改进”，本文的主要工作对r 1 7 5 柴油机的连杆机构进行结构分析及其优化设计。 利用三维造型软件p r o e 对连杆机构进行建模，运用有限元技术对连杆进行计算 校核并对其结构进行优化，在保证使用性能的基础上，节省材料，缩小柴油机体 积，节省空间。 本文主要研究工作分为以下几个部分： 第1 章：绪论部分。分析了国内外发动机技术的发展现状，并对连杆机构及 相关零部件的研究现状进行阐述。阐述了在集成环境下进行建模与有限元分析的 优点，从理论上证明了课题展开的可行性。 第2 章：特征建模部分。介绍了基于特征技术的连杆三维建模及性能分析软 件环境。其中特征技术主要介绍了特征造型理论，p r o e 特征建模流程及连杆特 征建模的实现。模型建立主要是为连杆性能分析做准备，文中对连杆性能分析中 用到的c a e 分析软件p r o m 做了简要介绍。 第3 章：连杆的静力有限元分析。主要内容包括结构有限元分析的基本原理、 过程及实现方式。分析了连杆的载荷形式与加载过程。研究了载荷在孔端的分布 形式，在p r o m 环境下对连杆进行静力学有限元分析，得出连杆静力状况下的 应力变形图。 第4 章：连杆结构的优化设计。采用p r o m 软件，通过局部与全局灵敏度分 析筛选了设计参数，定义了优化目标、优化约束，对连杆进行优化设计，以求达 到连杆重量最小的目的。 ( 1 ) 分析了连杆最优化设计的方法，建立了最优化方程，分析主要设计参数 的灵敏度，然后在约束条件下求得模型总质量最小。 ( 2 ) 依据优化的设计变量，重新生成连杆模型，并对优化前后的连杆模型进 行应力与变形方面的比较。使优化结果便具实际意义。 第5 章：连杆动力学分析。以模态分析理论为基础建立连杆模态有限元模型， 并计算出了连杆的四阶固有频率，为了证明结果的准确性，与a n s y s 分析结果 进行了比较，同时分析了优化前后的连杆模型的固有频率变化原因，并给出了各 阶振型图。 最后一部分是全文总结与展望。 6 第2 章基于特征的连杆三维实体造型 三维设计可以分为工程图、零件设计、装配三个不同的设计阶段。三维设计 最大的特点是特征建模技术和设计过程的全相关性。全相关性使得设计者在任何 阶段对设计的任何修改都会影响到其它阶段，这使设计过程变得非常灵活和轻 松，大大提高了设计效率。 零件和装配可以统称为模型，所以三维实体造型包括三维零件造型和装配 造型两个部分。p r o e 是当前三维矢量化设计软件中应用比较广泛的软件之一， 也是参数化设计的首选。本文中参数化设计采用的平台是p r o e 软件系统。 2 1p r o e 软件简介 p r o e 是p t c 研制开发的c a d c a m 软件，具有很强的造型功能，在目前 的三维造型软件中占有着重要的地位，并作为当今世界机械c a d c a m c a e 领 域的新标准而得到业界的认可和推广。p r o e 第一个提出参数化设计的概念，并 且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题“。另外，它采用模块化方式， 用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有的模块。p r o e 基于特征方 式，能够将从设计到生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。这里将介绍一 下p r o e 的主要特性。 2 1 1 实体模型 实体模型除了可以将用户的设计思想以最直观的模型在计算机上表现之外， 借助于系统参数( s y s t e m p a r a m e t e r s ) ，用户还可以随时计算出产品的体积、面积、 重心、惯性大小等，以了解产品的真实性，弥补传统的面结构、线结构的不足。 用户在产品设计过程中，可以随时掌握以上情况，调整物理参数，并减少许多人 为的计算时间。 2 1 2 单一数据库 p r o e 可随时修改由实体模型产生的2 d 工程图，而且自动标注工程图尺寸。 不论在3 d 还是2 d 图形上作尺寸修改，其相关的3 d 和2 d 默许均自动修改，并避免 反复修正的耗时性。由于采用单一的数据库，提供了所谓双向关联性的功能，这 种功能也正符合了现代产业中所谓的同步工程。 2 1 3 以特征作为设计的单位 p r o e 以最自然的思考方式从事设计工作，如孔、开槽、倒圆角等均被视为 零件设计的基本特征，可随时对特征做合理、不违反几何顺序的调整、插入、删 7 基fp r o m 下的连杆结构分析及其性能优化设计 除、重新定义等修正动作，使设计更具有直观化。 2 1 4 参数化设计 配合单一数据库，所有设计过程中所使用的尺寸( 参数) 都存在于数据库中， 设计者只需更改3 d 零件的尺寸，则2 d 工程图、3 d 组合、模具等就会依照尺寸 的修改作几何形状的变化，以达到设计修改工作的一致性，避免发生人为改图的 疏漏情形，且减少许多人为改图的时间和精力消耗。也正因为有参数化的设计， 用户才可以运用强大的数学运算方式，建立各尺寸参数间的关系式，使得模型可 自动计算出应有的外型，减少尺寸逐一修改的繁琐，并减少错误发生。 2 2 连杆的结构及特征技术 结构是由众多的结构参数来描述的，这些结构参数之间存在着一定的关系和 规律。就连杆而言，部分结构参数是独立的，部分结构参数是非独立的；有的是 所有类型的连杆共有的，有的是特殊结构类型专有的。总结归纳出连杆的各种结 构类型和结构参数，是进行参数化设计的前提。 2 2 1 连杆的结构类型 连杆主要由连杆小头、杆身、大头、螺栓等组成。 1 连杆小头的结构型式 通常将连杆小头做成圆形、椭圆形的整体封闭的凸耳形状，它与连杆杆身具 有圆滑的过渡连接，并且相对于杆身纵轴线对称。现代高速柴油机连杆小头一般 采用薄壁圆环形结构，这种结构简单轻巧、制造方便、工作时应力分布均匀，材 料利用率高。 2 连杆大头的结构型式 连杆大头形状极其多样化，在大头的剖分型式分为平切口连杆和斜切口连 杆。连杆大头与连杆盖的分开面垂直于连杆轴线，称为平切口连杆，否则称为斜 切口连杆。由于平切口连杆的大头具有较大的刚度，轴承孔受力变形小以及制造 费用低，中小型发动机上多采用这种结构。另一方面，为了提高曲轴轴承的工作 能力，同时为了使连杆在拆下大头盖后仍然能从汽缸中抽出，中、高速柴油机有 时采用斜切口连杆。 3 杆身的结构型式 杆身承受交变载荷，可能产生疲劳破坏和变形，连杆高速摆动时的横向惯性 力也会使连杆弯曲变形，因此杆身必须有足够的截面面积。为了在较小重量下得 到较大的刚度，除在一些应力小的二冲程柴油机上采用椭圆形杆身外，高速柴油 机的连杆杆身截面都是“工”字形的，而且其长轴应在连杆摆动平面内。 8 硕士研究生论文 2 2 2 特征技术 特征建模( f e a t u r e b a s e dm o d e l i n g ) 是将特征技术引入到产品设计中，用更 高层次的具有工程意义的特征体素来描述零件的一种建模方法。从工程意义的角 度讲它是对形体的组成及整体信息完整表达，使所描述的信息更具有工程意义， 当前特征造型技术的研究主要是在实体建模的基础上展开的“。特征建模是一种 商层次上的几何抽象和语义描述，因而在零件设计上为设计人员提供了一种快速 建模的方法。特征建模是以特征为操作对象，特征建模有以下几个特点： 1 特征建模着眼于更好的表达产品的技术特征和生产管理信息，为建立产品 的继承信息和模型服务，其目的是用计算机可以理解和处理的统一产品模型 替代传统的产品设计和施工成套图纸以及技术文档，使得一个项目或产品的 设计和生产准备各个环节可以并行展开、信息流畅通。 2 特征建模使产品设计工作在更高的层次上进行，设计人员的操作对象不再 是原始的线条和体素，而是产品的功能要素如螺纹孔、定位孔、键槽、花键 等。特征的引用为设计者提供更人性的设计环境，直接体现了设计意图，使 得建立的产品模型容易为别人理解和方便组织生产。设计的模型更容易修 改，设计人员可以将更多精力用于创造性构思上。 3 特征建模有助于产品设计分析、加工与检验各部门间的联系，更好的将产 品的设计意图贯彻到各个后续环节并及时得到后者的意见反馈，实现信息共 享，为开发新一代的基于统一产品模型的集成系统奠定基础。 4 特征建模有助于推动行业内产品和工艺方法的规范化，标准化和系列化， 使得产品设计中能够将制造要素及早考虑进去，保证产品结构有更好的工艺 性。 优化产品开发过程，实现产品开发的c a d c a e 技术集成和并行工程关键是 信息集成，使产品各个开发阶段能够共享产品的信息资源。由于特征兼有几何信 息和功能信息的两重性而被认为是产品信息的理想载体，因此特征技术成为研究 的重点。 2 2 3 连杆的特征定义和分类 2 2 3 1 特征的定义 特征是为了表达产品的完整信息而提出的一个概念，是对诸如零件形状、工 艺和功能等零件信息集相关的综合描述，是具有工程含义的几何实体，可以按一 定的规则分类的产品描述信息，因此表明： 1 特征不是体素，不是某个或某几个加工表面。 2 特征不是完整的零件。 3 特征分类与该表面加工工艺规程密切相关，用不同的加工方法加工实现的 9 基于p r o m 下的连杆结构分折及其性能优化设计 表面或零件要定义成不同的特征。例如，直径不同的轴段，其用途不同( 如； 安装轴段、过渡轴段) 、加工精度不同，这就需要用不同的加工方法实现， 这时就要定义成不同的特征。 4 描述特征的信息中，除了表达形状的几何信息集及约束关系信息外，还包 含材料、精度等制造信息。 5 通过定义简单的特征还可以生成组合特征。 2 2 3 2 特征的分类 特征的分类与具体的应用有关，不同的应用有着不同的特征分类方式。通过 分析连杆产品大量的零件图样信息，根据连杆的形状和加工方式以及系统集成的 需要，将构成连杆零件的特征分为两大类：形状特征和属性特征“1 。 根据形状特征在构造零件中所起的不同作用，形状特征又分主形状特征( 简 称为主特征) 和辅助形状特征( 简称为辅助特征) 。主特征和辅助特征的分类是根 据特征的独立性来划分的，主特征可以单独存在，辅助特征不能单独存在，它只 能依附在别的特征上。辅助特征又包括了简单辅特征、组合特征和复制特征等。 图2 1 为连杆形状特征分类。 属性特征则可分为材料特征、精度特征、有限元分析特征等。有限元分析特 征是为了系统集成的方便，为了有限元分析建模而定义的，包括了载荷特征、边 界条件特征、约束特征等。图2 2 为连杆属性特征分类。 r 1 黼冽 l 有限元l _ 1 分析特征r - t 精蒯 图2 1 连杆形状特征图2 2 连杆属性特征 1 形状特征的约束 形状特征内部和形状特征之间都存在约束。利用p r o e 系统进行的零件造型 是基于特征的实体造型，同时也是基于约束的实体造型。在设计过程中，必须将 形状和尺寸联合起来一并考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的控制。在非全 1 0 硕士研究生论文 约束时，造型系统不许可执行后续操作。所以，在建立连杆实体模型过程中，要 防止形状特征内各线条间和形状特征间的欠约束，前者可能造成形状特征的变 形，后者会使形状特征之间错位。形状特征间的约束可以是单个约束，也可能是 多重约束，它们可以用关系树来表示。当约束的基准特征发生变化时，与之关联 的特征也会发生变化，因此在确定约束关系时要从全局仔细考虑，也需要仔细研 究特征间的定位尺寸是否已采用关联参数，否则当某一个参数变动时，很可能会 使整个模型发生意想不到的变化，甚至使模型崩溃。 2 形状特征组合关系 基于特征的设计首先就是调用形状特征库中预先定义的形状特征构造零件 的几何形状，形状特征在组合成零件的过程中会产生交互关系，这种交互关系形 成了特征之间的组合关系。 在连杆零件构造中形状特征存在如下关系n ”： ( 1 ) 相邻关系：表示两特征在边界面上接合。连杆的杆身与小头、杆身与大 头间的关系都属于相邻关系。 ( 2 ) 依附关系：表示一特征依赖于另一特征而存在。比如孔特征，就是依附 在平面特征上的，离开了平面特征这个主体，孔特征就不能存在。 ( 3 ) 范式关系：表示同一种特征以某种数组方式排列所构成的关系。比如通 过对己有特征进行复制、镜像等操作而生成的新特征与原特征间就属于范式关 系。 3 形状特征的编辑 在基于特征的设计中，对零件几何形状的修改就等于对形状特征的编辑。形 状特征的编辑有三种方式：特征参数的修改；特征的添加；特征的删除。 特征参数包括定形参数和定位参数，因此特征参数的修改包括定形参数的修 改和定位参数的修改。定形参数的修改直接影响到特征的几何形状，因此也改变 了零件的几何形状。定位参数的修改并不涉及到特征的几何形状，但在一个由多 特征组成的零件中修改某特征的定位参数仍能影响零件局部形状的变化，这表现 在多个特征之间交线的变化和因相交产生的几何取舍问题。 特征的添加就是指在必要的时候再往零件模型上添加一个或多个形状特征。 例如，在有限元分析之后可能需要在连杆的原设计中添加加强筋特征。 特征的删除就是指从零件的原设计中删除某些多余或不再需要的特征。在有 限元分析建模中，剔除某些细节特征( 即在分析中不重要的特征) 不但能缩短计算 时间，而且也不会影响分析结果的精度。 零件的设计是一个逐步求精的过程，在这个过程中需要不断反复地对特征进 行修改和编辑。所以，在形状特征建模中特征的编辑也是一个很重要的方面。 基于p r o m 下的连杆结构分析及其性能优化设计 2 3 基于特征的连杆实体造型 c a d 设计经历了线框造型、曲面造型、实体造型三个阶段，跨入了特征造型 阶段。特征造型技术的目的是获得产品的特征模型，有三种方法可以获得特征模 型：特征识别( f e a t u r er e c o g n i t i o n ) 、特征转换( f e a t u r ec o n v e r s i o n ) 和特征设计 ( d e s i g nb yf e a t u r e ) 。 特征识别是通过对具有一般特征的几何模型中的特征元素进行识别来构造 所需的特征模型，如对设计模型进行识别生成基于特征的制造模型、装配模型等。 特征转换是通过对一个应用领域( 或角度) 的特征模型进行转换从而获得另一个 应用领域( 或角度) 的特征模型的技术。和特征识别不同，特征转换使用的不是几 何模型，而是特征模型。 目前，特征设计法是p r o e 中广泛应用的造型方法，其特征建模器在传统的 c s g b - r e p ( 即构造实体几何法和边界表示法c o n s t r u c t i v e s o l i dg e o m e t r y 和 b o u n d a r yr e p r e s e n t a t i o n 法) 建模器的基础上发展起来。特征设计是一种直接获得 特征模型的方法，也是特征识别法和特征转换法的基础。连杆的特征模型使用 p r o e 系统提供的预先定义的特