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细解新型减速机箱体的有限元分析

2013-08-29 18:17 by:有限元来源:广州有道有限元

基于SolidWorks和ANSYS的新型减速机箱体的有限元分析

本论文运用常用三维建模软件SolidWorks，建立水泥生产用新型减速器箱体的三维模型，利用SolidWorks与ANSYS12.1的相应接口技术，将建立的减速机箱体三维模型导入ANSYS中。通过对箱体进行应力分析，得到应力分布图、位移信息，找到最薄弱的区域；并通过模态分析分析箱体固有频率及振型，为减速机箱体结构的优化提供有效依据。

减速器作为机器的重要组成部分，主要是用来将原动机的运动和力传递给工作机，并且改变原动机的运动速度和形式、力或力矩的大小与方向，使之适应其他工作机的需要。近年来，由于水泥工业的飞速发展，与之相应的水泥用减速机的应用也升级迅速，本文的主要任务是对水泥生产用的新型减速器箱体进行应力分析和模态分析，通过对箱体的应力分析，得到相应的应力分布图，并且找到减速机箱体应力最薄弱的区域；通过对减速机的模态分析，研究箱体的固有频率及阵型，从理论上分析了减速机箱体产生振动的敏感部位。将分析的结果与实际试验的结果比较，从而对减速器箱体进行结构的优化设计提供参考依据。

1. 减速机箱体数学模型的建立

（1）运用SolidWorks软件建立箱体模型

虽然ANSYS自身带有建模功能，但是这个建模功能非常有限，只能处理一些相对简单的模型。而本文进行分析的减速箱体结构比较复杂，ANSYS自带的建模功能不能满足本文所需箱体模型的建立。而SolidWorks软件具有强大的建模功能，利用它来建立本文所需的模型就相对简单一些，所以本文采用 SolidWorks软件来建立箱体的三维模型。在建模的过程中，对减速机箱体模型进行了一些简化。简化了减速机箱体的结构，将上、下箱体以及输入端轴承盖作为一个整体，忽视过渡圆角、吊耳、油杯孔、螺纹孔、部分凸台以及顶部密封，然后按照设计图纸在准确尺寸的基础上建立了箱体的三维模型。最终建立的形体模型如图1所示。

图1 箱体三维模型

2减速机箱体的有限元分析

（1）将SolidWorks三维模型导入到ANSYS中

SolidWorks和ANSYS之间的数据转换有多种方法，其中常用的有下面两种：

① 将ANSYS集成于SolidWorks中，由于ANSYS12.1是最新版本的ANSYS软件，其与SolidWorks的接口可以在安装的时候直接对接口进行设置。在完成减速机箱体模型的建立后，可以直接点击SolidWorks中的“ANSYS”，如此可以将箱体三维模型自动导入到ANSYS中。

② 将在SolidWorks中建立的三维模型另存为Parasolid(*.x_t)格式，再导入到ANSYS。在ANSYS界面点击file-Import-PARA，找到文件夹中箱体三维模型，就可以将其导入到ANSYS中。

本文利用方法2进行模型的导入，并设定作业名和标题，如图2所示。

图2 导入的减速机箱体模型

（2）减速机箱体的应力分析

① 定义单元类型、材料属性，并对模型进行网格划分

考虑到减速机箱体结构的复杂性，本文选定带中节点的10节点四面体单元solid92的单元类型

减速机的材料为灰铸铁，弹性模量Ex=140000，泊松比PRXY=0.25.

由于减速机箱体结构较为复杂，所以对其进行自由网格划分，精度等级选择6级，得到的网格模型如图3所示。

图3 箱体模型的网格划分

① 施加约束及载荷，并求解

轴承所受载荷通常分为径向载荷和轴向载荷，作用于减速器的箱体上。在工程设计中，作用于轴承上的载荷一般都是按集中载荷进行计算的。对于滚动轴承来说，作用于轴上的载荷通过滚动轴承内圈传递到滚动体上，然后通过滚动体传递到外圈上，再通过外圈传递到箱体上，作用于箱体上的载荷属于面上的分布压力载荷。为了计算和添加载荷的方便，本次分析中，把轴向载荷视为作用在轴承盖法兰面或轴承外圈挡圈上的均布压力，把轴承座的径向载荷按照最大载荷处理，并作为均布载荷施加在作用面上。

定义分析类型，施加边界条件及载荷，然后求解。

③查看结果并分析

求解完成后，利用ANSYS生产的结果文件，查看各向位移和应力云图，如图4、5所示.

图4 减速机箱体X、Y、Z和总位移图

从分析结果可以看出，最大位移发生在输入端轴承端盖处，但是从各向位移视图得到的结果却表示为：在X方向的最大位移为0.00338 mm，在Y方向的最大位移为 0.0145mm, 在Z方向的最大位移为0.000868mm, 总的最大位移为 0.0191 mm。以此，减速机几乎没有变形。

图5 箱体应力云图

从图5可以看出，最大应力发生在输入轴下方支撑处，但是其应力范围为0.000763MPa~18.6MPa，由此得出，此减速机的设计过于安全，设计余量富余，可以在保证减速机箱体受力和变形允许范围内对该减速机进行进一步的优化设计，优化结构，减少重量，以免浪费材料，节省资源。

(3)减速机箱体的模态分析

由于该新型减速机的前身在生产时发现振动比较大，所以本文将对此新型减速机箱体进行模态分析，以此来确定箱体的固有频率和振型，找出振动的敏感区域，为振动分析提供依据。

将前面划分好网格的模型重新调出，对其进行模态分析设置，并求解，得到相关模态分析结果，如表1.

表1 固有频率值

SET	TIME/FREQ	LOAD STEP	SUBSTEP	CUMULATIVE
1	46.701	1	1	1
2	84.547	1	2	2
3	115.24	1	3	3
4	145.13	1	4	4
5	155.76	1	5	5

图5 箱体前5阶振型

图5可以看出，一阶频率为沿Y轴正向平移振动，二阶频率为沿Y轴负向平移振动，三阶频率为沿X轴负向平移振动，四阶频率为沿X轴正向平移振动，五阶频率为沿Y轴正向中间处凹陷振动。

3 结论

通过对新型水泥生产用减速机箱体的研究，在软件SolidWorks中建立箱体的三维模型，将其导入到ANSYS12.1中，生产有限元模型。对箱体有限元模型进行应力分析和模态分析，通过应力分析找出箱体应力最大的区域及位移，发现最大应力和变形位移发生在输入轴下方支撑处；通过对箱体进行模态分析，研究了箱体的固有频率和振型，找出箱体振动敏感区域。经分析表明，固有频率都在系统的共振范围之外，由此得出该减速机箱体的设计比较合理。在保证箱体所受应力和变形情况允许的情况下，可以进一步对其进行结构的优化设计。