基于ABAQUS的某机械连杆有限元分析及拓扑优化设计

采用ProE有限元软件建立机械连杆模型，并使用ABAQUS仿真软件对建立连杆模型进行静强度仿真分析，通过提取构件所受载荷，验证机械连杆在特定工况下的使用安全性，同时优化连杆结构模型寻求轻量化解决方案。重点运用ProE、ABAQUS仿真软件进行了机械连杆的模态仿真分析、应力应变仿真分析、轻量化拓扑结构优化设计。结果显示在相关工况下设计连杆模型与优化后模型均满足许用应力要求，同时拓扑优化设计也为产品提供更加优良的结构设计思路。通过对机械连杆的仿真分析得出了此型号的连杆在工况下的应力分布及构件性能安全，并对连杆设计机构进行优化设计，证明了ABAQUS仿真软件在对构件进行设计、分析、优化方面的实用性。

机械连杆机构广泛应用于各种机械、仪表和机电等领域中。随着连杆机构设计方法的发展，相关设计及性能分析软件的开发，连杆机构的设计速度和使用性能有了较大的提高，同时利用有限元分析软件可得到连杆在特定工况下的应力分布及动力学特性，同时使用拓扑优化对连杆进行优化设计，使其性能要求保持不变的同时减轻质量并能降低成本。机械连杆是机械常见的组成部分之一，因为在机构中常见的连杆构件大多呈现杆的形状，所以称之为连杆。连杆除了一般的上下运动形式之外，还可以进行左右方向的摆动，或者做一些相对复杂的平面运动[1]。连杆的特点为制造方便、便于安装且强度、刚度都有着不错的表现，因此得到了广泛的应用。

如果要对杆件的强度、刚度进行校核，采用传统的实验方法无疑会大大增加工作强度且会造成原材料的大量浪费，生产成本也会相应增加。而有限元仿真软件可以通过计算机的仿真计算来对构件进行模拟的数值分析，且计算结果与实验结果高度类似，这就使得有限元仿真软件在机械连杆的分析中显得十分必要。

国内很多的学者也对连杆进行了很多的研究，孙肾奎等人[2]在对连杆的研究时考虑了惯性力对其的影响，还有学者对连杆的动态响应方面进行了分析研究[3] [4]。

文章中所研究的机械连杆常见的失效形式为受到剪应力和弯曲应力的作用，一旦剪应力或弯曲应力超过机械连杆的许用应力，机械连杆就会发生断裂破坏而造成失效[5]。

2. 建模及有限元仿真分析 2.1. 机械连杆的建模 采用ProE 有限元软件对机械连杆进行建模，ProE 建模软件与ABAQUS 有限元分析软件接口相同， 且两软件的通用单位、坐标都可保持一致，因此在对机械连杆进行分析时所采用的有限元分析软件为ABAQUS。通过ProE 建成的连杆模型直接导入到ABAQUS 软件中进行后续的静力学模态仿真分析，使