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基于ANSYS的平面四杆机构仿真的结构优化设计


龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 基于 ANSYS 的平面四杆机构仿真的结构优 化设计 作者:焦晨航 来源:《硅谷》2014 年第 24 期 摘 要 随着计算机技术的迅猛发展,结构优化设计方法也随之变更。本文简要介绍了有限 元分析的典型步骤和流程,并运用 ANSYS 软件,以曲柄摇杆机构为例,对平面四杆机构仿真 的结构优化设计进行探讨,以期为进一步的动力学分析打下基础。 关键词 ANSYS;平面四杆机构;曲柄摇杆机构;优化设计 中图分类号:TH112 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2014)24-0005-01 平面四杆机构是连杆机构中最常见的机构组成,广泛应用于工程机械和农业机械中,对四 杆机构仿真的结构优化设计进行研究具有重要意义。平面四杆机构仿真的结构优化设计就是根 据实际情况在计算机编程的帮助下建立起机构的数学模型,并通过运用一定的优化算法寻找既 能很好解决约束条件又能使目标函数最优的设计方案,最终达到优化设计的目的。有限元方法 是结构优化设计的重要方法之一,实际应用中,我们可通过自行编制有限元程序或采用通用的 有限元分析软件来进行。基于 ANSYS 的平面四杆机构仿真的结构优化设计时有效的、可行 的。 1 有限元分析的典型步骤和流程 有限元法是一种高效能、常用的、离散化的数值分析方法,其典型步骤为:①将连续体离 散成有限个单元(杆系的单元是每一个杆件,连续体的单元是各种形状);②选择单元类型或 位移模型;③利用变分原理推导单元刚度矩阵;④单元场函数的集合;⑤建立有限个待定参量 的代数方程组;⑥求解方程组,得到位移矢量;⑦由节点位移计算出单元的应变和应力。 进行有限元分析,首先要决定分析项目、分析的几何结构、外界条件和外力,获取材料性 质;其次,建立有限元模型,包括单元类型、材料性质,直接或间接生成有限元网格;再次, 加载并求解,输出分析结果,若结果不合理,重新建立有限元模型,若合理,则进行改进处 理,解决问题,得到最佳设计。 2 基于 ANSYS 平面四杆机构仿真的结构优化设计 1)结构优化设计方法。 平面四杆机构杆长比例关系决定着机构的运动规律,在设计时,可利用某一杆长作为比例 基准,以此对其余杆长进行定义。实际结构布局中,机构机架长度是事先给定的,至于机构起 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 始角可根据具体情况确定,以曲柄摇杆机构为例,在确定机构起始角的基础上,将机构实际变 量简化为两个,定义这两个设计变量为 x1、x2。 根据给定的运动规律得出两连架杆转角之间的函数关系式,这里将其定义为 φ=f(α), 即期望函数,而由于平面四杆机构具有一定特殊性,设计结果与期望函数要求的值往往存在差 距,此时,将实际运用函数定义为 φ=F(α),即再现函数。根据期望函数和再现函数的偏差 建立目标函数,公式为: 式中 i 为分点标记,k 为区间份数,φi 为期望输出角,φik 为实际输出角。 由于本文对于平面四杆机构的优化设计是建立在初始机构综合的基础上,所以有必要考虑 曲柄存在条件、机构传动角(即压力角的余角)等。将曲柄、连杆、摇杆、机架分别定义为 l1、l2、l3、l4,根据最短杆条件和杆长条件得到约束条件,如:l1≤l2;l1≤l3;l1≤l4; l1+l4≤l2+l3;l1+l3≤l2+l4;l1+l2≤l3+l4。平面四杆机构运动过程中,传动角是不断变化着的, 为了保证结构有着良好的运动性能,规定最小传动角不小于 40 度,而在传递较大力矩时,应 使最小传动角不

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