基于Pro/M下的连杆结构分析及其性能优化设计

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。CAD/CAM技术是实现创新的关键手段，而CAE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Pro/E为设计工具、以Pro/MECHANICA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Pro/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Pro/MECHANICA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(Structure)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-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。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题的目的及所研究的内容

1.2国内外研究现状与分析

1.2.1国外状况

1.2.2国内状况

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

1.3.2研究内容

1.3.3拟解决的关键性问题

1.4课题的试验方案及其可行性分析

1.5课题来源及本文的研究工作

第2章基于特征的连杆三维实体造型

2.1 PRO/E软件简介

2.1.1实体模型

2.1.2单一数据库

2.1.3以特征作为设计的单位

2.1.4参数化设计

2.2连杆的结构及特征技术

2.2.1连杆的结构类型

2.2.2特征技术

2.2.3连杆的特征定义和分类

2.3基于特征的连杆实体造型

2.4本章小结

第3章连杆有限元结构静力学分析

3.1 PRO/MECHANICA简介

3.1.1 Pro/MECHANICA模块简介

3.1.2 Pro/MECHANICA的工作模式

3.1.3使用Pro/MECHANICA的一般过程

3.2有限元分析方法与原理

3.2.1有限元分析

3.2.2有限元的基本原理和特点

3.2.3有限元网格生成技术

3.3连杆有限元分析方法

3.3.1连杆有限元分析概述

3.3.2有限元前处理

3.4网格划分

3.4.1连杆材料定义

3.4.2进入Pro/MECHANICA模式

3.4.3 AutoGEM网格划分

3.4.4 CAD模型的简化及网格生成

3.5计算结果分析

3.6本章小结

第4章连杆的优化设计

4.1灵敏度分析概述

4.2连杆灵敏度分析

4.2.1局部灵敏度分析

4.2.2全局灵敏度分析

4.3优化设计分析

4.3.1连杆最优化设计模型

4.3.2目标函数的选取

4.3.3优化参数的确定

4.3.4约束条件的确定

4.3.5优化设计分析

4.4分析优化结果

4.5本章小结

第5章连杆结构动力学分析

5.1结构动力学分析

5.2连杆的模态特性有限元分析

5.2.1模态分析理论

5.2.2连杆模态有限元模型的建立和计算

5.2.3连杆有限元模态分析结果

5.3本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文