ANSYS在矿用减速器箱体应力分析中的应用
关键字：
ANSYS/减速器/箱体
浏览次数：233发表时间：2015-05-29 00:00:00.0
ANSYS在矿用减速器箱体应力分析中的应用
赵丽娟1，2，刘宏梅2，陈令国2
(1．东北大学机械工程学院， 辽宁沈阳110004；2．辽宁工程技术大学机械工程学院， 辽宁阜新市123000)
摘要：运用三维绘图软件Pro／E，建立了矿用减速箱体的三维实体模型。应用ANSYS对箱体的结构进行有限元分析，找出了箱体最薄弱的区域，并以此为依据对箱体结构进行了优化，单箱体减少了523 kg的制造材料，使厂家的材料成本降低了16．3％。
关键词：ANSYS；减速器；箱体；有限元分析
中图分类号：THl32．46 文献标识码：A 文章编号：1005-2763(2007)01-0052-03
An Application of ANSYS in Stress Analysis of the Case for Mine Reducer
Zhao Lijuan1，2, Liu Hongmei2,Chen Lingguo2
(1. School of Mechanical Engineering, Northeast University, Shenyang,Liaoning 110004, China; 2. School of Mechanical Engomeeromg, Liaoning Technical University, Fuxin, Liaoning 123000, China)
Abstract: The three-dimensional entity model of the case of mine reducer was established by Pro/E software, and a finite element analysis on the structure of the case of mine reducer was carried out by ANAYS software, and the most unsubstantial part in the reducer case was found. Based upon the finite element analysis, the reducer case had been optimized, so that the materials for manufacturing single reducer case was reduced by 523 kg, the cost of its production was reduced by 16.3% in manufacturing materials.
Key Words: ANSYS, reducer, Case, Finite element analysis
在机械设计中，由于矿用减速器箱体结构复杂，过去一直靠经验和参照同类产品进行设计，通过试验发现问题再对设计方案加以改进。随着计算机技术和有限元方法的发展，使复杂结构的应力和应变分析成为现实。利用有限元法对结构进行分析已成为产品设计中的一个重要环节。由于箱体结构的不规则、形状复杂，所以利用传统方法很难在箱体工作的整个周期范围内找到其结构的最薄弱区域。本文提出的将箱体在ANSYS中进行结构应力变形分析，
能很好地解决上述问题。
1 减速器箱体的三维实体模型
1．1模型的建立
由于矿用减速器箱体的结构复杂，ANSYS虽然也有建模功能，但对于复杂零件的建模却事倍功半，而选用功能强大的Pro/E进行建模则能迎刃而解。
在Pro/E中建立模型有以下技巧：
(1)因为上、下箱体由23个直径为30mm的螺栓连接，故可以忽略上、下箱体之间的滑动。所以可以把上下箱体看成一个整体模型；
(2)忽略螺纹、圆角。因为将模型在从Pro／E导入ANSYS过程中，有圆角的地方会产生模型的实体缺失，故螺纹可以用修饰螺纹来代替，圆角可以用其他的命令如拉伸、旋转、扫描等来代替；
(3)简化对于静力学分析不产生影响的一些结构，如箱体的吊耳、标牌、用于冷却的油槽孔等。
1．2模型的导入
ANSYS和Pm/E之间的数据转换有很多种方法，最常用的是以下两种：
(1)通过IGES来实现ANSYS和Pro/E之间的数据转换；
(2)利用ANSYS中内置的与Pm/E的接口来实现。本文即是利用该方法实现的数据转换。
由于上、下箱体是对称的，所以建立上箱体，通过ANSYS中的镜像命令(Main Menu\Preprocessor\Modeling\Reflect\Volumes)就可以得到下箱体，实现整个箱体模型(见图1)。
2箱体的有限元分析
2．1网格划分
在实际工程问题中，有些结构形体复杂必须按照空间问题求解，四面体单元对边界拟合的能力强，所以笔者所用的Solid 92单元为10结点二次四面体单元。箱体的材料为球墨铸铁QT400-15，弹性模量为E=1．6e5MPa，泊松比=0．28。根据减速器箱体结构及其性能要求，在Meshtool对话框中选择6级精度对模型进行自由网格划分，在箱体的每个轴承座处选择细化，分别得到308802个节点和183754个单元。
2．2载荷与约束的处理
根据箱体的安装形式，箱体与电机相连的输入部分、与行星架相连的输出部分为全约束。箱体所受到的力主要是通过轴承传递的，受力情况如图2所示。轴承座处的径向力Fr均按余弦函数分布处理，如图3所示。而轴向力按圆周方向为均布处理。
式中：P——轴承座所受的力；
R——轴承座的半径。
此减速器是二级传动的，第一级传动是一对弧齿锥齿轮传动，第二级传动是一对斜齿圆柱齿轮传动。电动机顺时针转动，建立一个载荷工况，计算出各个载荷工况的切向力F1、径向力F2和轴力Fz(见表1)。
施加完载荷和约束后，进行求解。分析结果见表2。
3结果分析及优化
根据箱体的位移分析结果，最大变形为0．010138mm，出现在第4轴承座，第1轴承座与箱体的大部分地方的变形量为零，第2，3，6轴承座的变形不大于0．00397mm，第3轴承座的变形为0．006759mm。
箱体的受力比较均匀，在X、Z方向受力相对于 Y方向受力比较小。上箱体在X方向所受的最大应力为4．37MPa，出现在第5轴承座，最小应力为压应力，出现在第6轴承座，大小为0．0358MPa，大部分应力则为O．444MPa。上箱体在z方向所受的最大应力出现在第2轴承座，为3．925MPa，其余轴承座应力不大于1．19MPa，大部分应力为1．035MPa。上箱体在X、Y、Z 3个方向都没有出现应力集中的现象。下箱体在Y方向所受的最大应力为23．171MPa，第1，2，5，6轴承座的受力都不大于13．314MPa。下箱体在x方向所受的最大压应力为14．018MPa，第l，2，5，6轴承座的受力都不大于 10．97MPa。箱体的最大应力出现在下箱体第4轴承座为23．171MPa，远小于材料的许用应力250MPa，材料抵抗破坏的能力还有很大的潜力，整个箱体的设计趋于保守。
根据箱体的受力分析，为节省材料，降低成本，参照减速器设计手册与铸造手册，对箱体承受应力小的地方，如第1，2，5，6轴承座，箱体的壁厚尺寸做进一步的改进。把原箱体的壁厚30mm减到最小值21mm，把原箱体的凸台高度150mm减到最小值81mm。把输出盘的厚度由90mm减小到60 mm，将优化后的模型进行有限元分析,优化后的分析结果见表3，下箱体Y方向的受力最大出现在第4轴承座，为26．3326MPa，其余轴承座的应力不大于15．11MPa。箱体所受的最大应力仍在材料的许用范围之内，而且同样没有出现应力集中的现象，箱体的体积由4．3924734e+08mm3减小到3．676382e+08mm3，箱体的质量由3206kg减少到2683kg，减少了523kg的制造材料，使厂家的材料成本降低了16．3％。
4 结 论
(1)虽然此箱体的几何形状复杂，但用有限元方法对其进行受力、变形分析是可行的，并且求解是方便的。
(2)利用Pro/E与ANSYS之间的接口，充分考虑了Pro/E强大的建模功能与ANSYS的分析优势，在Pro/E中建立形状复杂的箱体三维实体模型加快了建模的速度。
(3)在模型从Pro/E导人ANSYS的过程中，简化了上、下箱体的连接部分和过渡圆角，这些简化不会对计算结果产生大的影响。在有限元划分网格的时候，对关键的加载部位进行了细化，在保证计算结果正确的同时，也避免了有限元模型过于庞大与机器运算能力有限的矛盾。
(4)根据箱体的受力分析，对箱体做了优化，使之在保证安全可靠的同时节约了制造材料，降低生产成本，对实际生产具有指导意义。
