減速箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張晴晴

摘要：為了解決巴哈賽車(chē)減速箱體輕量化問(wèn)題，本文利用CATIA軟件建立三維模型，并基于ANSYS軟件進(jìn)行減速箱的靜力學(xué)分析和拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明：減速箱殼體優(yōu)化后為3mm，應(yīng)力和形變滿足材料屈服強(qiáng)度要求，為巴哈賽車(chē)的減速箱機(jī)械結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)提供重要參考。

Abstract： In order to solve the problem of the baja racing deceleration box body lightweight， in this paper， a three-dimensional model is established by using CATIA software， and based on ANSYS software for reducer statics analysis and topology optimization design， the results show that the optimized reducer shell is 3 mm， the stress and deformation meet the requirement of material yield strength， and for the baja racing reducer mechanical structure lightweight design to provide important reference.

關(guān)鍵詞：減速箱;有限元;靜力分析;拓?fù)鋬?yōu)化

Key words： reducer;finite element;static analysis;topology optimization

0? 引言

由于鏈條傳動(dòng)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)因多邊形效應(yīng)因而不能保持恒定的瞬時(shí)傳動(dòng)比、帶傳動(dòng)無(wú)法兼顧密封性與散熱性[1，2]，故無(wú)法應(yīng)用于巴哈賽車(chē)，齒輪傳動(dòng)成為了其傳動(dòng)的主要形式。然而大家為了提高其安全系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)性的給定減速器殼體結(jié)構(gòu)參數(shù)，造成體積太大，從而導(dǎo)致原材料的浪費(fèi)，成本偏高[3，4]。為解決該問(wèn)題，對(duì)減速器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。

本文采用有限元法分析對(duì)給定載荷下分析箱體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和形變?cè)茍D。并對(duì)箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，滿足設(shè)計(jì)和使用要求，從而達(dá)到殼體輕量化目的和降低生產(chǎn)成本。

1? 三維模型及有限元模型建立

在有限元模型建立過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題，它們會(huì)直接影響到模型仿真得出結(jié)果的有效性[5]。為保證胸部-護(hù)欄薄壁長(zhǎng)桿的有效性和精確性，采用如圖1所示的流程圖。

利用CATIA建立減速器三維模型，減速器包括齒輪、齒輪軸、減速箱殼體等部件。導(dǎo)入ANSYA Workbench進(jìn)行前處理，網(wǎng)格采用四面體，節(jié)點(diǎn)數(shù)66935，單元數(shù)量39510，如圖2所示。

2? 結(jié)果分析

從圖3（a）中可以得出，最大應(yīng)變位置在第一軸箱體邊緣附近和第二軸第三軸軸承座根部附近，最大應(yīng)變?yōu)?0.00053732mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用的變形量。從圖3（b）可以得出應(yīng)力較大位置在第二軸第三軸軸承座根部附近，應(yīng)力大小為 0.51454 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于選用材料的許用應(yīng)力。

3? 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

由上述分析發(fā)現(xiàn)，減速箱殼體設(shè)計(jì)強(qiáng)度較高，致使減速箱體積過(guò)大造成浪費(fèi)?，F(xiàn)使用ANSYS中Shape Optimization模塊進(jìn)行形狀優(yōu)化，在拓?fù)鋬?yōu)化選項(xiàng)中，設(shè)置要去除的材料為你所想要的百分比，求解得出可以優(yōu)化的方案。如圖4所示有限元模型在形狀優(yōu)化后的結(jié)果。將圖中紅色部分修改其厚度，原厚度為5mm，現(xiàn)將厚度縮小為3mm，如圖4所示。

從圖5箱體應(yīng)變?cè)茍D可以看出經(jīng)過(guò)形狀優(yōu)化后的模型最大應(yīng)變數(shù)值為0.0053779mm。最大變形量為 10.343MPa。由結(jié)果可知其變形與應(yīng)力值仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用值，但考慮到賽車(chē)在比賽過(guò)程中遇到復(fù)雜的沖擊載荷和耐久性等情況，認(rèn)定該優(yōu)化后的方案可行。

4? 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采用有限元法和優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，在變速器箱最大應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度的條件下，利用ANSYS軟件計(jì)算和分析箱體的應(yīng)力情況，優(yōu)化結(jié)果與原設(shè)計(jì)方案相比優(yōu)化效果明顯，提高設(shè)計(jì)、修改設(shè)計(jì)的效率。為巴哈賽車(chē)中變速器殼體輕量化的設(shè)計(jì)提供了思路和參考。

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