基于UG的連桿優(yōu)化設計

摘 要：文章利用UG NX的高級仿真靜力學解算器，依次創(chuàng)建連桿的有限元模型和仿真模型，計算出模型的位移和應力的響應值，以此來確定模型優(yōu)化約束條件的基準值，利用系統(tǒng)提供的優(yōu)化解算方案，以最小重量為優(yōu)化目標定義約束條件和設計變量，求解出模型在此要求下的優(yōu)化結(jié)果。

關鍵詞：UG NX；連桿；優(yōu)化設計

引言

優(yōu)化設計是將產(chǎn)品/零件的設計問題的物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學模型，運用最優(yōu)化數(shù)學規(guī)劃理論，采用適當?shù)膬?yōu)化算法，并借助計算機和運算軟件求解該數(shù)學模型，從而得出最佳的設計方案的一種先進設計方法。

1 問題描述

連桿為工程機械上常常用到的零件。其結(jié)構(gòu)特征是小端為回轉(zhuǎn)孔，大端為剖分結(jié)構(gòu)，大小端孔徑一般不一樣，肋板中間為內(nèi)凹結(jié)構(gòu)。工作時候其大端一側(cè)大孔內(nèi)表面3個平移自由度被限制，小端孔承受軸承力載荷。在原始設計的基礎上對其中的結(jié)構(gòu)：中間肋板厚度、肋板凹槽兩側(cè)寬度進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其中大小端孔徑和孔距不能變動，并且強度和剛度滿足要求。

2 連桿靜力學分析

2.1 創(chuàng)建有限元模型

進入UG的高級仿真環(huán)境，新建FEM文件，求解器選擇NX NASTRAN，在分析類型中選擇結(jié)構(gòu)，進入創(chuàng)建有限元模型的環(huán)境。指派材料屬性及劃分網(wǎng)格。給模型零件指派材料為Iron_Cast_G40（對應我國的材料牌號HT400），密度為7.15e-006kg/mm3，楊氏彈性模量為14e+008mN/mm2（kPa），泊松比為0.25，屈服強度為345MP，極限抗拉強度570MP。對零件模型進行理想化處理，移除了兩個大端螺栓孔，對分析優(yōu)化結(jié)果影響較小，卻可以使模型網(wǎng)格劃分簡化，避免出現(xiàn)畸形網(wǎng)格。創(chuàng)建3D網(wǎng)格收集器。對模型創(chuàng)建3D四面體10節(jié)點網(wǎng)格，單元格大小為5mm。對有限元模型進行后網(wǎng)格劃分如圖1所示，網(wǎng)格中的單元數(shù)為4684，網(wǎng)格中的節(jié)點數(shù)為8795。對有限元模型網(wǎng)格質(zhì)量進行檢查，0個失敗，0個警告，網(wǎng)格劃分符合要求。

2.2 創(chuàng)建仿真模型與解算方案

在fem文件的基礎上新建sim文件，在模板列表中選擇NX NSTRAN，默認其他的選項設置。選擇解算方案類型為SOL 101 Linear Statics-Global Constraints，勾選迭代求解器，保持其他選擇不變。

2.3 施加邊界條件和約束

選擇仿真導航器里面選擇sim節(jié)點作為工作部件，對連桿大端半孔內(nèi)圓柱面施加固定約束。設置小端孔內(nèi)圓柱面為載荷類型為軸承力，力表達式為3000N，方向為Y軸正方向，角度為180度，分布方式為拋物線。

2.4 方案求解及后處理

對方案進行求解，迭代求解器收斂。打開后處理導航器，查看應力-單元節(jié)點云圖，如圖2所示。利用結(jié)果測量命令對流速進行提取，結(jié)果如表1。設計滿足剛度和強度要求要求，但不一定是最優(yōu)的設計方案。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

3.1 建立優(yōu)化解算方案

創(chuàng)建優(yōu)化設計方案。選擇幾何優(yōu)化，優(yōu)化類型為默認的Altair HyperOpt。優(yōu)化的目標為模型對象的重量最小。根據(jù)連桿靜力學分析結(jié)果為參考，定義兩個約束，第一個：節(jié)點Y位移上限0.045mm，第二個：小端孔內(nèi)圓柱面處單元節(jié)點應力上限為210MPa。定義三個設計變量，第一個：肋板凹槽兩邊寬度P10，設置上限為5mm，下限為3mm；第二個：肋板凹槽深度P334，設置上限為5mm，下限為2mm；第三個：肋板厚度P15，設置上限為17mm，下線為13mm。設置迭代步數(shù)為10。

3.2 解算優(yōu)化方案及結(jié)果分析

對優(yōu)化方案Setup1進行求解，開始進行迭代計算。迭代8次解收斂，最后一次迭代的結(jié)果即為本模型優(yōu)化計算的結(jié)果，其中，設計目標優(yōu)化過的重量值為2487.641mN，原來重量為3070.508mN；肋板相關特征尺寸優(yōu)化為P10為3mm，P15為13mm，P334為5mm；單元節(jié)點應力為141.78MPa；節(jié)點Y向位移為0.043305mm。因此，優(yōu)化的趨勢是：肋板厚度變薄，肋板凹槽兩側(cè)寬度變窄。優(yōu)化過后的單元節(jié)點應力分布如圖3所示。

4 結(jié)束語

在結(jié)構(gòu)滿足剛度、強度要求的前提下，通過改變某些設計參數(shù)，使得連桿整個模型的重量優(yōu)化到最輕，同時這些優(yōu)化后的形狀尺寸也同步在模型上進行了關聯(lián)修改，這不但提高了設計工作的效率，也減低了材料成本，提高了經(jīng)濟效益，方便了零件的運輸安裝。

參考文獻

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[2]沈春根，王貴成，王樹林.UG NX7.0有限元分析從入門與實例精講[M].北京： 機械工業(yè)出版社，2010.

[3]劉婕.流體機械[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2012.

作者簡介：朱紅波（1981-），男，本科，畢業(yè)于河南理工大學機械設計制造及其自動化專業(yè)，從事機械方面教學及研究，發(fā)表論文多篇。