资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共68页)
编号：20764101
类型：共享资源
大小：2.65MB
格式：ZIP
上传时间：2019-07-11
上传人：QQ24****1780
认证信息
个人认证
王**（实名认证）
浙江
IP属地：浙江
30
积分
- 关 键 词：
-
减速器设计带CAD
设计带cad
- 资源描述：
-
577 减速器设计（带cad和文档）,减速器设计带CAD,设计带cad
- 内容简介：
-
第页 1绪论1.1减速器的发展现状1.1.1我国减速器的发展现状国内的减速器多以齿轮传动、蜗轮蜗杆传动为主，但普遍存在着功率与重量比小，或者传动比大而机械效率过低的问题。另外，材料品质和工艺水平上还有许多弱点。自20世纪60年代以来，我国先后制订了JB113070圆柱齿轮减速器等一批通用减速器的标淮，除主机厂自制配套使用外，还形成了一批减速器专业生产厂。目前，全国生产减速器的企业有数百家，年产通用减速器20多万台左右，对发展我国的机械产品做出了贡献。60年代开始生产的少齿差传动、摆线针轮传动、谐波传动等减速器具有传动比大、体积小、机械效率高等优点。90年代初期，国内出现的三环（齿轮）减速器，是一种外平动齿轮传动的减速器，它可实现较大的传动比，传递载荷的能力也大。它的体积和重量都比定轴齿轮减速器轻，结构简单，效率亦高。由于该减速器的三轴平行结构，故使功率/体积（或重量）比值仍小。且其输入轴与输出轴不在同一轴线上，这在使用上有许多不便。北京理工大学研制成功的内平动齿轮减速器不仅具有三环减速器的优点，还有着大的功率/重量（或体积）比值，以及输入轴和输出轴在同一轴线上的优点，处于国内领先地位。 改革开放以来，我国引进一批先进加工装备，通过引进、消化、吸收国外先进技术和科研攻关，逐步掌握了各种高速和低速重载齿轮装置的设计制造技术。材料和热处理质量及齿轮加工精度均有较大提高，通用圆柱齿轮的制造精度可从JB17960的89级提高到GB1009588的6级，高速齿轮的制造精度可稳定在45级。部分减速器采用硬齿面后，体积和重量明显减小，承载能力、使用寿命、传动效率有了较大的提高，对节能和提高主机的总体水平起很大的作用。 目前，我国自行设计制造的高速齿轮减速器的功率为42000KW ，齿轮圆周速度150m/s。但是我国大多数减速器的技术水平还不高，老产品不可能立即被取代，新老产品并存过渡会经历一段较长的时间。1.1.2国外减速器的发展现状国外的减速器，以德国、丹麦和日本处于领先地位，特别在材料和制造工艺方面占据优势，减速器工作可靠性好，使用寿命长。日本住友重工研制的FA型高精度减速器、美国Alan-Newton公司研制的X-Y式减速器为目前先进的齿轮减速器。国外不断改进减速器齿轮材料品质、提高工艺水平、在传动原理和传动结构方面不断创新，平动齿轮传动原理的出现就是一例。减速器与电动机的连体结构，也是大力开拓的形式，并已生产多种结构形式和多种功率型号的产品。目前，超小型的减速器在医疗、生物工程、机器人等领域中，微型发动机已基本研制成功，美国和荷兰近期研制的分子发动机的尺寸在纳米级范围。国外减速器的特点如下：承载能力大。国外著名公司产品样本的承载能力大致在同一条水平线上。以FLENDER公司为例，同样（或基本接近）的中心距1993年样本的额定功率比1998年样本提高10%20%，1995年和1997年样本又比1993年样本提高了约20%，1999年样本又比1997年样本提高了约10%。模块化设计。据1996年德国德雷斯顿国际齿轮会议的一份研究报告记载，生产齿轮联轴器外齿轴套的数量由1个装置增加到20个时，制造成本的变化为：小零件成本降低近90%，中等零件成本降低近50%。低噪声。许多国外公司都是采用圆锥齿轮高精磨齿，通过齿轮修形，加大重合度，改进箱体结构的吸音设计等措施来降低噪声。高精度。美国Andantex公司研制成功了一种高精度减速器，它能与低惯量、高转矩电动机相配合，以便实现快速加、减速。目前这种高精度减速器有5种规格，减速器齿轮系统的输入转速达5000rmin，输入转矩为5160Nm，单级减速比达1O：1。1.2减速器的发展趋势20世纪70年代末，世界减速器技术有了很大的发展。产品发展的总趋势是小型化、高速化、低噪声和高可靠性；技术发展中最引人注目的是硬齿面技术、功率分支技术和模块化技术。到80年代，国外硬齿面技术已经成熟。采用优质的合金钢锻件、渗碳淬火磨齿的硬齿面齿轮，精度不低于ISO13281975的6级，综合承载能力为中硬齿面调质齿轮的34倍，为软齿面齿轮的45倍。一个中等规格的硬齿面减速器的重量仅为中硬齿面减速器的1/3左右，且噪声低、效率高、可靠性高。功率分支技术主要用于行星及大功率双分支以及多分支装置，如中心传动的水泥磨主减速器，其核心技术是均载。对通用减速器而言，除普遍采用硬齿面技术外，模块化设计技术已成为其发展的一个主要方向。当今，世界各国减速器的发展趋势是向六高、二低、二化方向发展。六高即高承载能力、高齿面硬度、高速度、高可靠性和高传动效率；二低即低噪声、低成本；二化即标准化、多样化。促使减速器发展的主要因素有： 理论知识的日趋完善，如齿轮强度计算方法、修形技术、变形计算、优化设计方法、齿根圆滑过渡等。 齿轮采用好的材料，普遍采用各种优质合金钢锻件，材料和热处理质量控制水平提高。 结构设计更合理。 加工精度提高到ISO56级。 轴承质量和寿命提高。 润滑油质量提高。1.3减速器箱体的研究现状 目前对箱体的主要研究是： 运用现代的设计方法对箱体进行优化设计，一般优化的过程为：提出优化目标建立合理的数学模型施加约束求解得出结果并进行分析。分析方法可以用内点罚函数法、外点罚函数法、牛顿法、黄金分割法、二次插值法、约束随机方向搜索法、鲍威尔法、复合形法等。还有应用MATLAB中的优化设计工具对所得的目标函数进行运算得到最优解。 对箱体结构的结构力学分析。应用一些有限元软件对箱体进行有限元分析。 对箱体受热方面的研究。通过不同尺寸减速器箱体在不同温度下的数据的采集，运用数值分析的方法，得出箱体的某些参数与温度的关系。从而可以改变减速器箱体的某些参数来改善箱体的受热状况。 减速器箱体的参数可视化研究。Visual C+6.0环境下,利用OpenGL对减速器箱体设计进行可视化编程,实现了减速器箱体的参数化三维建模和基本的动画显示。 对箱体的振动方面进行的研究。按箱体工作振型频率响应函数的分析方法，找出了对噪声贡献最具有代表性的测点，为通过测试振动信号实现声压级的测量奠定了基础。1.4本文研究对象及意义1.4.1本文研究对象 本文研究对象是1000KW矿用减速器箱体，如图1-1所示。此减速器是第一级为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的二级减速器。其主要参数如表1-1所示。图 1-1 张家口1000KW型减速器箱体表1-1 减速器主要参数齿数 模数 齿形角 螺旋角圆锥齿轮 圆锥齿轮 渐开线圆柱齿轮 渐开线圆柱齿轮 1.4.2本文研究意义齿轮减速器是把机械传动中的动力机(主动机)与工作机(从动机)联接起来，在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩的作用，若减速器箱体设计不合理出现了局部应力集中，很容易出现事故。在减速器箱体的传统设计过程中，主要采用传统的计算方法，并没有采用一些先进的设计技术，设计安全系数的选择往往偏大，造成制造材料的浪费。减速器的箱体受力情况较复杂，常常会受到较大的弯曲和扭转应力作用，因此如何在不大幅度增加重量的情况下提高箱体的刚度就显得很关键。若减速器的箱体的强度不够，就很难满足减速器正常工作时的稳定性的要求。若为了保证减速器的强度而增加箱体的壁厚，使得箱体的总体的重量和体积很大。本文采用的有限元对箱体进行分析，根据分析结果，找出箱体设计的薄弱环节，再用ANSYS的APDL语言对箱体进行优化设计，解决了以往利用现代优化方法中由于要优化的物体的形状复杂且多参数不好建立数学模型的问题。箱体是减速器的零件中最复杂的一个，且减速器以形成了系列化生产，它的设计与绘图往往要花费大量的人力与物力。本文采用的参数化技术实现了箱体的参数化设计，只通过修改其中的几个参数就能得到新的模型，大大的节省了时间和精力。1.5本文研究的主要内容本课题的研究来源于张家口煤矿机械有限公司与辽宁工程技术大学课题。 本文在广泛查阅大量有关文献、吸收和消化目前对矿用减速器箱体的研究成果的基础上，做了以下工作：1）运用三维绘图软件Pro/ENGINEER建立了箱体的三维实体模型，并使用Pro/ENGINEER的二次开发功能对箱体进行了参数化设计的研究。2）通过Pro/ENGINEER与有限元分析软件ANSYS的接口将模型导入ANSYS中，运用ANSYS对箱体进行应力分析。3）将APDL与ANSYS优化模块相结合，对减速器箱体的壁厚、输入连接盘厚度等进行了优化设计。4）应用ANSYS的疲劳分析模块对箱体进行了疲劳分析。5）应用ANSYS的模态分析对箱体进行模态分析，从而找到箱体固有频率。 1.6本章小结本章介绍了减速器的发展现状、发展趋势，阐述了减速器的研究现状。叙述了本文研究的对象、主要内容及意义。 第68页2有限元基础理论及通用有限元软件有限元法（Finite Element Method FEM），是计算力学中一种重要的方法，是计算机辅助工程CAE中的一种。有限元法作为一个具有巩固理论基础和广泛应用效力的数值分析工具，是现代力学、计算数学和计算机技术等学科相结合的产物，在国民经济建设和科学技术发展中发挥了巨大的作用。2.1有限元的发展过程大约在300年前，牛顿和莱布尼茨发明了积分法，证明了该运算具有整体对局部的可加性。虽然，积分运算与有限元技术对定义域的划分是不同的，前者进行无限划分而后者进行有限划分，但积分运算为实现有限元技术准备好了一个理论基础。在牛顿之后约一百年，著名数学家高斯提出了加权余值法及线性代数方程组的解法。这两项成果的前者被用来将微分方程改写为积分表达式，后者被用来求解有限元法所得出的代数方程组。在18世纪，另一位数学家拉格朗日提出泛函分析。泛函分析是将偏微分方程改写为积分表达式的另一途经。 在19世纪末及20世纪初，数学家瑞雷和里兹首先提出可对全定义域运用展开函数来表达其上的未知函数。1915年，数学家伽辽金提出了选择展开函数中形函数的伽辽金法，该方法被用于有限元。1943年，数学家库朗德第一次提出了可在定义域内分片地使用展开函数来表达其上的未知函数。这实际上就是有限元的做法。 所以，到这时为止，实现有限元技术的第二个理论基础也已确立。 20世纪50年代，飞机设计师们发现无法用传统的力学方法分析飞机的应力、应变等问题。波音公司的一个技术小组，首先将连续体的机翼离散为三角形板块的集合来进行应力分析，经过一番波折后获得前述的两个离散的成功。大型电子计算机投入了解算大型代数方程组的工作，这为实现有限元技术准备好了物质条件。1960年前后，美国的R. W. Clough教授首先独立地在论文中提出了“有限元法Finite Element Method”这一概念。60年代中、后期，外国数学家开始介入有限元法的研究，促使有限元法有了坚实的数学基础，他们对有限元法的发展做出了重要贡献。1965年，英国O.C.Zienkiewicz和Y.K.Ceung宣布，有限元法适用于所有能按变分形式计算的场问题，使有限元法获得了一个更为广泛的解释，有限元法的应用也推广到更为广阔的领域。有限元法从出现到发展，经历了从线弹性到弹塑性到弹粘塑性，从解决小变形问题到解决大变形问题，从静力问题到复杂的动力问题，应用范围不断扩展。目前，有限元经过几十年的发展，它的理论已比较成熟，已经在各领域得到了越来越广泛的应用。2.2有限元法的基本思想及计算步骤有限元法是把要分析的连续体假想地分割成有限个单元所组成的组合体，简称离散化。这些单元仅在顶角处相互联接，称这些联接点为节点。离散化的组合体与真实弹性体的区别在于：组合体中单元与单元之间的联接除了节点之外再无任何关联。但是这种联接要满足变形协调条件，即不能出现裂缝，也不允许发生重叠。显然，单元之间只能通过节点来传递内力。通过节点来传递的内力称为节点力，作用在节点上的荷载称为节点荷载。当连续体受到外力作用发生变形时，组成它的各个单元也将发生变形，因而各个节点要产生不同程度的位移，这种位移称为节点位移。在有限元中，常以节点位移作为基本未知量。并对每个单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函数近似地表示单元内位移的分布规律，再利用力学理论中的变分原理或其他方法，建立节点力与位移之间的力学特性关系，得到一组以结点位移为未知量的代数方程，从而求解节点的位移分量。然后利用插值函数确定单元集合体上的场函数。显然，如果单元满足问题的收敛性要求，那么随着缩小单元的尺寸，增加求解区域内单元的数目，解的近似程度将不断改进，近似解最终将收敛于精确解。 用有限元法求解问题的计算步骤比较繁多，其中最主要的计算步骤为：1）连续体离散化。首先，应根据连续体的形状选择最能完满地描述连续体形状的单元。常见的单元有：杆单元，梁单元，三角形单元，矩形单元，四边形单元，曲边四边形单元，四面体单元，六面体单元以及曲面六面体单元等等。其次，进行单元划分，单元划分完毕后，要将全部单元和节点按一定顺序编号，每个单元所受的荷载均按静力等效原理移植到节点上，并在位移受约束的节点上根据实际情况设置约束条件。2）选择位移模式。在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法;选择节点力作为基本未知量时称为力法;取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以在有限元法中位移法应用范围最广。当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可以把单元中的一些物理量如位移、应变和应力等由节点位移来表示。.（2-1）式中单元内任一点的位移列阵； 单元的节点位移列阵； 形函数矩阵。3）单元分析。根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式。此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵。利用物理方程，导出用节点位移表示的单元应力：.（2-2）式中 单元内一点的应力列阵； 单元应力矩阵 4）计算等效节点载荷。连续弹性体经过离散化以后，便假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是实际的连续体，力是从单元的公共边界传递到另一单元的。因此，作用在单元上的集中力、体积力以及作用在单元边界上的表面力，都必须等效的移置到节点上去，形成等效的节点载荷。5）整体分析。利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新联接起来，形成整体的有限元方程。.（2-3）式中，整体结构的刚度矩阵；节点位移列阵；等小节点载荷列阵。 6）求解节点位移。引入边界条件，解方程（2-3），可得节点位移，且可求出接点应力。2.3有限元的发展趋势有限元的发展呈现出以下一些趋势特征： 1）从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题。有限元分析方法最早是从结构化矩阵分析发展而来，逐步推广到板、壳和实体等连续体固体力学分析，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。所以近年来有限元方法已发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算，最近又发展到求解几个交叉学科的问题。 2）由求解线性工程问题进展到分析非线性问题。随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求。例如建筑行业中的高层建筑和大跨度悬索桥的出现，就要求考虑结构的大位移和大应变等几何非线性问题；航天和动力工程的高温部件存在热变形和热应力，也要考虑材料的非线性问题；诸如塑料、橡胶和复合材料等各种新材料的出现，仅靠线性计算理论不足以解决遇到的问题，采用非线性有限元算法才能解决。众所周知，非线性的数值计算是很复杂的，它涉及到很多专门的数学问题和运算技巧，很难为一般工程技术人员所掌握。为此近年来国外一些公司花费了大量的人力投资开发诸如MARC、ABQUS和ADINA等专长于求解非线性问题的有限元分析软件，并广泛应用于工程实践。这些软件的共同特点是具有高效的非线性求解器以及丰富和实用的非线性材料库。 3）增强可视化的前置建模和后置数据处理功能。早期有限元分析软件的研究重点在于推导新的高效率求解方法和高精度的单元。随着数值分析方法的逐步完善，尤其是计算机运算速度的飞速发展，整个计算系统用于求解运算的时间越来越少，而数据准备和运算结果的表现问题却日益突出。在现在的工程工作站上，求解一个包含10万个方程的有限元模型只需要用几十分钟。但是如果用手工方式来建立这个模型，然后再处理大量的计算结果则需用几周的时间。可以毫不夸张地说，工程师在分析计算一个工程问题时有80%以上的精力都花在数据准备和结果分析上。因此目前几乎所有的商业化有限元程序系统都有功能很强的前置建模和后置数据处理模块。在强调可视化的今天，很多程序都建立了对用户非常友好的GUI（Graphics User Interface）,使用户能以可视图形方式直观快速地进行网格自动划分，生成有限元分析所需数据，并按要求将大量的计算结果整理成变形图、等值分布云图，便于极值搜索和所需数据的列表输出。 4）与CAD软件的无缝集成。当今有限元分析系统的另一个特点是与通用CAD软件的集成使用 即,在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，自动生成有限元网格并进行计算，如果分析的结果不符合设计要求则重新进行造型和计算，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。今天，工程师可以在集成的CAD和FEA软件环境中快捷地解决一个在以前无法应付的复杂工程分析问题。所以当今所有的商业化有限元系统商都开发了和著名的CAD软件（例如Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。 5）在Wintel平台上的发展。早期的有限元分析软件基本上都是在大中型计算机（主要是Mainframe）上开发和运行的，后来又发展到以工程工作站（EWS，Engineering WorkStation）为平台，它们的共同特点都是采用UNIX操作系统。PC机的出现使计算机的应用发生了根本性的变化，工程师渴望在办公桌上完成复杂工程分析的梦想成为现实。但是早期的PC机采用16位CPU和DOS操作系统，内存中的公共数据块受到限制，因此当时计算模型的规模不能超过1万阶方程。Microsoft Windows操作系统和32位的Intel Pentium处理器的推出为将PC机用于有限元分析提供了必需的软件和硬件支撑平台。因此当前国际上著名的有限元程序研究和发展机构都纷纷将他们的软件移值到Wintel平台上。2.4通用有限元软件在大力推广CAD技术的今天，从自行车到航天飞机，所有的设计制造都离不开有限元 分析计算，FEA在工程设计和分析中将得到越来越广泛的重视。国际上早20世纪在50年代 末、60年代初就投入大量的人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序。其中最为 著名的是由美国国家宇航局（NASA）在1965年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公 司开发的NASTRAN有限元分析系统。该系统发展至今已有几十个版本，是目前世界上规模 最大、功能最强的有限元分析系统。从那时到现在，世界各地的研究机构和大学也发展 了一批规模较小但使用灵活、价格较低的专用或通用有限元分析软件，主要有德国的AS KA、英国的PAFEC、法国的SYSTUS、美国的ABQUS、ADINA、ANSYS、BERSAFE、BOSOR、COSMOS、ELAS、MARC和STARDYNE等公司的产品。目前，我国引进的主要有限元分析软件有：SAP5、SAP7、SUPERSAP、ADINA、ANSYS、I-DEAS、PROE-E、NASTRAN/PATRAN、MSC/MARC、NE/NASTRAN以及FEMAP等等。为更清楚地说明ABAQUS、MARC、ADINA和ANSYS的区别，在结构方面应用为例，将ABAQUS、MARC、ADINA和ANSYS的功能进行一下对比。1)接触问题，选择软件的顺序为ABAQUS、ADINA、Marc和ANSYS。接触问题本身就是一个高度非线性问题，前三者本身就是基于高度非线性问题而开发的，从建立接触对的方便程度和收敛程度为以上顺序。2)结构优化设计或拓扑优化设计， ANSYS最强。ANSYS软件中直接有优化设计模块，是单目标优化设计，设计变量有结构尺寸变量和状态变量，优化结构变量写入APDL程序中，如果对APDL程序不是很熟悉，那么可以通过ANSYS软件界面菜单完成建模、目标变量和设计变量设置，然后把所有操作过程写入*.log 或*.lgw文件中，它们是文本文件，以APDL程序保存的，用记事本等调出此*.log 文件进行整理，整理出循环迭代结构，另存文件名，在菜单中执行优化模块时，直接调此文件，一次性优化出结果。其它几个软件中没有结构优化设计模块，但也可以通过自己编写个小程序，用MARC、ADINA和ABAQUS对结构进行优化设计，但首先要熟悉如何取某节点或某单元的结果数据，使其在设计范围内寻求最优。3)界面菜单上建模， ADINA、ABAQUS与ANSYS旗鼓相当，MARC最弱，甚至前两者超过ANSYS软件的建模。ADINA-M和ABAQUS/CAE的建模方式是基于现代CAD的建模方式(如类似Pro/E、UG、SOLIDWORK，其蒙皮技术、复杂曲面扫描技术远强于ANSYS)。4)编程序建模， ANSYS最强。因为它有自己的APDL程序语言，所有结构尺寸都可以参数化，这也是其率先开发结构优化设计和拓扑优化设计模块的基础。Marc也有一个python,但很不好用。ADINA 可以在ADINA-IN准备文本模型文件，但不能设置变量参数，可以通过文本编辑处理模型数据。ABAQUS与ADINA一样，可以编辑输入模型文件参数。5)结构网格划分的方便程度，设置网格线、面、体的分段数和质量较好的映射网格方面，这几个软件的排序是ABAQUS、ANSYS、ADINA和MARC。2.5有限元分析软件ANSYS本文主要使用ANSYS软件，下面将加以介绍说明。ANSYS公司由John Swanson博士创立于1970年，ANSYS有限元程序是该公司主要产品。ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛地应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。ANSYS主要功能包括：结构静力分析、结构动力学分析、结构非线性分析、动力学分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析、结构优化、疲劳分析等。结构静力分析：用来求解外载荷引起的位移、应力和力。ANSYS程序静力分析不仅可以进行线性分析，还可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。结构动力学分析：用来求解随时间变化的载荷对结构的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析的类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。结构非线性分析：结构非线性导致结构的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性。动力学分析：ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。热分析：ANSYS程序可以处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射，热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。电磁场分析：主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。ANSYS还具有将部分单元等效为一个独立单元的子结构功能、将模型中的某一部分与其余部分分开重新细化网格的子模型功能。ANSYS具有优化设计模块（OPT）可以进行结构的优化设计，同时ANSYS具有参数化程序设计语言APDL，APDL大大的扩展了ANSYS优化的功能。ANSYS软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。下面对其分别做一简要介绍1） 图形用户界面（GIU）ANSYS GUI 中有六个窗口的功能如下：（1） 在主菜单中进行菜单选择并可在主菜单中调用子菜单；（2） 在输入窗口中键入信息（3） 显示Pan Zoom Rotate 对话框并执行其功能（4） 显示分析实体划分的点线面及网格状态2） 前处理模块PREP7 双击实用菜单中的Preprocessor 进入ANSYS 的前处理模块。这个模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。（1） 实体建模 ANSYS本身具有三维实体建模功能。ANSYS提供了两种建模方式“自底向上建模”和“自顶向下建模”。“自底向上建模”是点线面体的方式。“自顶向下建模”即ANSYS本身提供了一些图元，如长方体，圆台、圆柱、圆锥、正多边形等。 ANSYS同时还和许多CAD软件有接口，包括：UG、Pro/E、CATIA、Solid Works、Solid Edge等。实体模型可以在CAD中建立，再导入到ANSYS中。 布尔操作可以对几何图形进行布尔运算，ANSYS的布尔操作包括：add、 subtract、intersect、divide、glue 以及overlap。它们不仅适用于简单的体素中的图元，也适用于从CAD系统导入到ANSYS中的复杂的几何模型。（3）网格化分 ANSYS 提供了多种网格划分工具，自动进行单元形态、求解精度检查及修正。包括自由/映射网格划分、智能网格划分、自适应网格划分以及六面体向四面体自动过渡网格等划分技术。在自动网格划分过程中可对网格尺寸、网格密度及变化梯度进行控制，并可对关键部位进一步进行网格细化。3） 求解模块SOLUTION 点击实用菜单项中的Solution，进入分析求解模块。用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。该模块包括结构分析、流体动力分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。4） 后处理模块POST1 和POST26 ANSYS 软件的后处理过程包括两个部分：通用后处理模块POST1和时间历程后处理模块POST26。通过友好的用户界面可以很容易获得求解过程的计算结果并对其进行显示。这些结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式可以有图形显示、曲线显示和数据列表。在通用后处理模块还包括疲劳分析模块，ANSYS疲劳计算的功能：根据应力分析结果，计算疲劳参数；在一系列预先选定的位置上确定一定数目的应力循环和应力循环载荷，并储存这些位置上的应力；在每一个选定的位置上定义应力集中系数并为每一个应力循环定义标定参数。 APDL是ANSYS Parametric Design Language的缩写，即ANSYS参数化设计语言。它是一种类似FORTRAN的解释性语言，提供一般程序语言的功能，如参数、宏、标量、向量及矩阵运算、分支、循环、重复以及访问ANSYS数据库等。另外还提供简单界面制定功能，实现参数交互输入、消息机制、界面驱动和运行应用程序等。 利用APDL的程序语言与宏技术组织管理ANSYS的有限元分析命令，就可以实现参数化建模、施加参数化载荷与求解以及参数化后处理结果显示，以APDL为基础，用户可以开发专用的有限元分析程序。 此外，APDL也是ANSYS优化设计的基础，只有创建了参数化的分析流程，才能对其中的设计参数执行优化改进，达到优化设计目标。 总之，APDL扩展了传统有限元分析范围之外的能力，提供了建立标准化零件库、序列化分析、设计参数、设计优化以及更高级的数据分析处理能力，包括灵敏度的研究等。 本文用到APDL的程序语言与宏技术组织管理ANSYS的有限元分析命令，实现箱体的参数化建模，同时实现箱体优化设计。2.6本章小结 本章介绍了有限元法的发展过程，有限元的基本思想、解题步骤。叙述了通用的有限元软件，并将其进行了对比，其中重点介绍了ANSYS，包括它的分析功能、主要组成部分等。3矿用减速器箱体的参数化设计 目前，减速器的生产已形成了系列化。箱体在整个减速器中形状和结构最复杂的零件之一，箱体的设计与绘画占用了减速器从设计到绘图的大部分时间，所以箱体的参数化设计很有必要。通过修改箱体模型的几个参数，就能够得到下一个系列中的产品，缩短了新产品开发的周期。在生产出样机后，通过测试，减速器箱体存在着局部应力集中，则要修改设计图纸，箱体参数化修改设计图纸变得更加方便。3.1 Pro/ENGINEER的参数化设计、二次开发功能3.1.1Pro/ENGINEER简介Pro/ENGINEER是美国参数技术公司PTC的产品。PTC公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械CAD/CAE/CAM 的传统观念，这种全新的概念己成为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准。利用该概念开发出来的第三代机械CAD/CAE/CAM产品，Pro/Engineer软件能将设计至生产全过程集成到一起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作。 Pro/ENGINEER目前共有80多个专用模块，涉及工业设计、机械设计、仿真功能、加工制造等方面，为用户提供全套解决方案。Pro/ENGINEER强大全参数化的设计功能，被广泛用于机械、汽车、航天、电子、家用电器和工程机械等行业中。Pro/ENGINEER系统最典型的特点是参数化。体现参数化除使用尺寸参数控制模型外，还在尺寸之间建立数学关系式，使它们保持始终相对的大小、位置或约束条件。在零件模式下，系统允许建立特征之间的关系式，使得零件中的不同特征产生关联，此时创建的参数关系式成为零件关系式。Pro/ENGINEER具有强大三维实体建模功能，包括：拉伸、旋转、抽壳、扫描、导角、筋、混合扫描、螺旋扫描等。通过这些命令可以建立三维模型。3.1.2 Pro/ENGINEER的二次开发Pro/ENGINEER提供了多种层次开发方法，根据层次的高低用户的灵活性不同，开发方法如下： (1) 族表(Family Table) 族表是Pro/ENGINEER提供给用户一个工具，不需要编制程序，功能十分有限。通过族表，用户可以方便的管理具有相同或相似结构的零件，特别适合标准件库的建立和管理。族表通过建立通用性零件为父零件，然后在此基础上对尺寸参数进行控制来生成派生零件。族表通过表格来管理，常常被称为表格驱动。 (2) 用户定义特征 (UDF) 用户定义特征也是系统提供给用户的工具，通过这个工具，用户可以将几个特征组成为一个自定义特征。系统以.gph文件保存用户定义特征，调用时作为一个整体出现。用户定义特征有利于用户根据产品特征快速生成三维模型，提高设计效率。 (3) Pro/Program Pro/ENGINEER给每个模型都提供了一个主要设计步骤和参数列表记载工具Pro/Program。Pro/Program是一种类似于BASIC的高级语言格式，用户可以根据设计需要来编辑模型的Program，使其作为一段程序来工作，通过运行该程序来控制系统参数、特征显示和特征尺寸参数等。 (4) J-Link J-Link是Pro/ENGINEER提供的基于JAVA语言的高级开发工具包，功能强大。用户可以通过JAVA编程来扩充系统的功能或定制基于产品的设计模块。 (5) Pro/TOOLKIT Pro/TOOLKIT是Pro/ENGINEER提供的功能最强大的高级开发工具包，不同于J-Link的是它是基于C语言的。Pro/TOOLKIT支持Windows和UNIX操作系统，Pro/TOOLKIT提供了一个庞大的C语言函数库，借助第三方编译环境进行调试，使得外部应用程序在一种可控制和可靠的方式下访问Pro/ENGINEER数据库和用户界面，实现与Pro/ENGINEER的无缝集成。本文是利用Pro/Program来进行箱体的参数化设计的。3.1.3Pro/Program语法26 Pro/Program的基本语法包含INPUT、RELATIONS、EXECUTE、ADD等。 参数的输入及提示行的设定INPUT：在INPUT和END INPUT之间可以加入问句，随后当使用者Regenerate零件或组合件时，此句将提示使用者输入数值，此数值可以控制其后的数学关系（Relations）,成为零件中某特征的尺寸参数名称。参数值的形态有三种：Number、String、Yes_No。INPUT的语句语法是：INPUT 参数名 参数值类型 提示行END INPUT数学关系式RELATIONS：在RELATIONS和END RELATIONS之间可以加入数学关系式。RELATIONS的语法是：RELATIONS Area=length*0.75-thickness*2END RELATIONSIFELSE叙述IFELSE可以加入INPUT程序中。INPUTinclude_hole YES_NO“Should the hole be included?”IF include_hole=YES_NOhole_dia NUMBER“Enter diameter for hole”ELSEmedia STRING“Enter the media to fill the box”END IFEND INPUT以程序控制零件的替换：INPUTEND INPUTADD part（fastener_name）END ADD在组合件中执行零件程序EXECUTE：INPUTEND INPUTEXECUTE part (component)d1=diameterEND EXECUTE3.2箱体的参数化设计过程本箱体的参数化设计过程可以用图3-1来表示。编写程序、建模 输入主要参数生成模型箱体设计图3-1 参数化设计过程图3.2.1减速器箱体的设计I轴：减速器高速轴 . (3-1)II轴：减速器中间轴 . (3-2)III轴：减速器低速轴 . (3-3)传动比的分配8 为了避免锥齿轮尺寸较大，造成制造困难， 的确定如下: . (3-4) . (3-5)第一级锥齿轮部分传动设计1 锥齿轮的轴交角可成任何角度。本文使用的是弧齿锥齿轮，轴交角选常用的轴交角。中点螺旋。标准压力角。小轮大端分度圆直径按接触疲劳强度估算为：. (3-6)小齿轮的分度圆直径，载荷系数，一般可取 ，当载荷平稳、精度较高、速度较低、齿轮对称轴承布置时，应取小值；对直齿轮应取较大值。齿宽系数，为外椎距与尺宽的比值，一般，常取=0.250.3。许用接触应力，试验齿轮接触疲劳极限应力，接触强度计算的最小安全系数，. (3-7)直齿渐开线圆柱齿轮部分传动设计1小齿轮分度圆直径接触疲劳强度估算为：. (3-8)小齿轮的分度圆直径，载荷系数，一般可取 。当载荷平稳、载荷系数较小、精度较高、速度较低、轴的刚性较大、螺旋角较大、齿轮对称轴承布置时，应取小值；反之取大值。齿宽系数 。齿轮副材料对比传动尺寸的影响系数许用接触应力，试验齿轮接触疲劳极限应力，接触强度计算的最小安全系数，. (3-9)轴的设计计算2选取轴的材料为45钢，调制处理。对于仅传递扭矩或主要传递扭矩的传动轴，应按扭转强度计算。对于既受弯矩又受扭矩的转轴，可以通过降低许用剪应力的方法考虑弯矩的影响，用扭转强度估算转轴的最小直径，然后进行轴的结构设计。本系统的轴都属于第二类轴，首先应估算转轴的最小直径，计算方法如下：2 . (3-10)轴传递的功率，；轴的转速，；轴的直径，；与轴的材料有关的许用扭剪应力系数，通常取，估计轴伸处弯矩较小时取小值，反之取大值；按弯扭合成强度条件进行校核计算，即. (3-11)危险截面处的抗弯截面模量，；对于实心轴、弯矩和扭矩，弯矩和扭矩在轴截面引起的应力循环特性差异系数。当剪应力为静应力、脉动循环变应力和对称循环变应力时，分别取0.3，0.6，1。许用弯曲应力，。轴的材料为45钢，调制处理。，则，取。 其它部分的设计8箱体的壁厚：.（3-12） 其中 箱体凸台厚度： .（3-13） 箱体加强筋的厚度： .（3-14） 上、下箱体连接螺栓的直径：.（3-15） 箱体外壳至螺栓中心线的距离： .（3-16） 齿轮的宽度： .（3-17）3.2.2设置参数和数学关系式本文设计的参数化的箱体模型，只需输入功率、输入转速和输出转速。在建立模型前把它们设置为参数，并设置数学关系式计算出其它数据与设置参数的关系，通过修改参数的数值，可自动生成箱体模型。设置参数 选择下拉式菜单Part中的Program选项，在弹出的菜单选择Edit Design，这时会弹出一个记事本，对记事本的INPUT和INPUT之间进行如下编辑：PW NUMBER V1 NUMBER V2 NUMBER设置关系式 关系式的设置是与建模是同时进行的，建立一个模型特征，将尺寸控制值用关系式中的参数赋值。再次打开记事本，对记事本的RELATIONS和END RELATIONS之间进行编辑，最后完成的关系式为：PR=PW I=V1/V2 I1 =SQRT(1.35*I) I2=I1/1.35 N1=V1 T1=9.55*PR*1000/N1 PS=PR*0.97*0.99 N2=N1/I1 T2=9.55*PS*1000/N2 PG=PS*0.97*0.99 N3=N2/I2 T3=9.55*PG*1000/N3 SOLVEDR*DR*DR=4096000*PR/N1FOR DRSOLVEDS*DS*DS=4096000*PS/N2FOR DSSOLVEDG*DG*DG=4096000*PG/N3FOR DG Z1=31Z2=I1*Z1 Q1=ATAN(Z1/Z2) Q2=90-Q1 SOLVEDE1*DE1*DE1=21338.59*T1/I1FOR DE1 DE2=DE1*I1 RE=DE1/(2*SIN(Q1) B1=0.3*RE HEA1= ME HEA2= ME HEA=ME HEF1=1.2*ME HEF2=1.2*ME HEF=1.2*ME DAE1=DE1+HEA1*COS(Q1) DAE2=DE2+HEA2*COS(Q2) AK1=DE2/2-HEA1*SIN(Q1) AK2=DE1/2-HEA2*SIN(Q2) AKK1=AK1*1.5 AKK2=AK2*2 SOLVE DE3*DE3*DE3=964.47*T2*(1+I2)/I2FOR DE3A2=DE3*(I2+1) B2=0.3*DE3DE4=DE3*I2 B3=DE4*0.3 DDD=0.025*A2 BBB=1.5*DDD LLL=2.5*DR+100 DRS=DR IF 0.6*T1/(DR*DR*DR*0.1*0.1*0.1)60 DR=DRELSE DR=DR+20ENDIFIF 0.6*T2/(DS*DS*DS*0.1*0.1*0.1)60 DS=DSELSE DS=DS+20ENDIFIF 0.6*T3/(DG*DG*DG*0.1*0.1*0.1)PreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete。4.1.4材料属性在ANSYS的所有分析中都得输入材料的属性，本文需要输入弹性模量和泊松比。箱体的材料为球墨铸铁QT40015，弹性模量为1.6e5MPa,泊松比为0.28。定义材料的路径为：Main MenuPreprocessorMaterial Properties -Constant- Isotropic值得注意的是，用户必须确保所有输入的值的单位制的统一性以免计算出现差错，本文建模时长度单位采用mm 、力单位为N 、则弹性模量单位为MPa、应力单位为MPa。4.1.5 网格划分 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308,802个节点和183,754个单元，划分结果较理想，如图44所示。图44箱体的有限元模型4.2载荷与约束的处理4.2.1载荷的处理减速器所受的载荷主要是通过轴承作用于箱体。轴承上的载荷分布，在中心轴向力的作用下，可认为载荷由各滚动体平均分担；在径向力作用下的滚动轴承受力情况如图4-4所示。轴承座处的集中力按余弦函数分布处理，如图4-5所示。4径向载荷通过轴颈作用于内圈，位于上半圈的滚动体不会受力，而下半圈的滚动体将此载荷传递至外圈上。轴承座处的集中力按式（4-5）分布：.（4-5）其中， 图44轴承座径向受力情况 图45载荷余弦函数分布本减速器箱体第一级为一对弧齿锥齿轮传动，第二级是一对斜齿圆柱齿轮传动的二级减速器。当电动机顺时针转动，建立载荷工况，当电动机逆时针转动，建立载荷工况。1名义转矩： .（4-6） 其中， 齿宽中点端面分度圆上名义切向力： .（4-7） 工况：径向力：.（4-8） 其中， 轴向力：.（4-9） 当，所以： 名义转矩： .（4-10） 名义切向力： .（4-11） 径向力： .（4-12） 轴向力： .（4-13） 。工况： 齿宽中点端面分度圆上名义切向力=-49254.25 径向力：.（4-14） 轴向力：.（4-15） 当，所以： 名义转矩： .（4-16） 名义切向力： .（4-17） 径向力： .（4-18） 轴向力： .（4-19） 。工况，各个齿轮所受的切向力、径向力和轴力的大小如表4-1所示。工况，各个齿轮所受的切向力、径向力和轴力的大小如表4-2所示。表4-1 工况 各个齿轮的受力情况小锥齿轮大锥齿轮小圆柱齿轮大圆柱齿轮49254.25-49254.25-110428.8110428.833798.3-24197.8540812.8-40812.8-24197.8533798.319471.6-19471.6表4-2 工况 各个齿轮的受力情况小锥齿轮大锥齿轮小圆柱齿轮大圆柱齿轮-49254.2549254.25110428.8-110428.86965.8-4097540812.8-40812.8-409756965.8-19471.6194加载与求解在ANSYS中的载荷包括边界条件及外部或内部的相互作用，有很多种。本文用的是（DOF）约束和压力载荷。（DOF）约束包括沿X、Y、Z三个方向的移动约束和绕X、Y、Z轴转动的约束。在ANSYS施加（DOF）约束的路径为：Main MenuSolution-Loads-ApplyDisplacement。在ANSYS中施加随坐标变化的函数载荷的过程是：Work planeChange Active CS toGlobal CylindricalOK（将当前坐标系改为柱坐标系）。ParametersFunctionsDefine/Edit ，按照公式（4-1）定义余弦函数Result=（5*P/6/R）*cos(1.5*acos(Y/(Y2+X2)，（这里的P和R在不同的轴承座取不同的值，自变量选择Y）FileSave（给函数取名为PCOS.func）OK。ParametersFunctionsRead From File（选取函数PCOS.func）Table parameters name。SolutionDefine LoadsApplyStructuralPressureOn Areas（选择FY，施加径向压力，Apply as Existing Table）OK（选取PCOS）OK 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。 施加完载荷和约束进行求解，求解完成后，在通用后处理器（POST1）里查看结果。4.3结果分析ANSYS向用户提供了两种后处理工具查看计算结果：通用后处理器POST1和时间历程后处理器POST26。通用后处理器用来查看模型在某一特定时刻（或某一载荷步、频率）的结果。时间历程后处理器则是用来查看模型的指定点的特定结果相对于时间、频率或其它结果项的变化，后处理器POST26一般只能用于处理瞬态和动力分析结果。显然，本文的结果分析只在通用后处理器中进行。显示应力等值线路径：Main MenuGeneral PostprocessorPlot Results-Contour Plot-对于工况，箱体的应力变形云图，如图4-6、4-7所示。工况箱体的应力变形云图，如图4-8、4-9所示。 图4-6. 工况上箱体X方向的应力分布云图 图4-7.工况下箱体Y方向应力分布云图 图4-8工况上箱体Y方向应力分布云图 图4-9工况下箱体X方向应力分布云图 图4-10工况上箱体主应力分布云图 图4-11工况下箱体主应力分布云图图4-12工况上箱体总变形分布云图从图4-6、4-7、4-8、4-9可以看出上、下箱体的受力比较均匀，都没有出现应力集中的现象。由图4-6得出上箱体在X方向所受的最大应力为10.707 MPa，第一、二、三、四、六轴承座受力最大为6.767MPa。由图4-7得出下箱体在Y方向所受的最大应力为23.375 MPa，出现在第三轴承座，其余轴承座受力最大为15.482MPa。由图4-8得出上箱体在Y方向所受的最大应力为23.678 MPa，第一、二、四、五、六轴承座受力最大为15.728MPa。由图4-9得出下箱体在X方向所受的最大应力为14.096 MPa，第一、二、四、五、六轴承座受力最大为11.427MPa。因此，箱体所受的最大应力出现在工况时上箱体的第三轴承座处23.678MPa，但远小于材料的许用应力250MPa。.（4-20）从图4-10看出，工况下箱体主应力为24.72 MPa，出现在第三轴承座处，此处为危险地方。从图4-12看出，箱体的变形比较小，小于1。总之，整个箱体设计比较合理，应力分布比较均匀，没有出现应力集中现象，但是设计的余量很大，材料的最大应力远小于材料的许用应力，造成了材料的浪费。4.4 本章小结本章运用三维绘图软件Pro/ENGINEER与有限元分析软件ANSYS的接口， Pro/ENGINEER建立箱体的实体模型后导入到ANSYS中，在ANSYS中进行应力分析，分析结果是：箱体的设计合理、没有出现应力集中现象，箱体的最大应力出现在下箱体第三轴承座为23.375 MPa。从箱体的有限元分析结果来看，箱体的设计的预量很大，造成了材料的浪费，很有必要对其进行优化设计。5矿用减速器箱体的优化设计减速器箱体是减速器的重要组成部分，作为基座，它必须具有足够的强度。在传统的设计中，矿用减速器箱体的设计主要靠设计经验和经验公式来进行。安全系数的选择往往偏大，造成制造材料的浪费，因此很有必要对减速器箱体进行优化设计，为生产厂家降低制造成本、提高利润。5.1优化设计基本概念在介绍优化设计过程之前，先给出一些基本的定义：设计变量，状态变量，目标函数，合理和不合理的设计，分析文件，迭代，循环，设计序列等。设计变量（DVs）为自变量，优化结果的取得就是通过改变设计变量的数值来实现的。每个设计变量都有上下限，它定义了设计变量的变化范围。状态变量（SVs）是约束设计的数值。它们是“因变量”，是设计变量的函数。状态变量可能会有上下限，也可能只有上限或下限。优化程序中用户可以定义不超过100个状态变量。目标函数是要尽量减小的数值。它必须是设计变量的函数。一个合理的设计是指满足所有给定的约束条件（设计变量的约束和状态变量的约束）的设计。如果其中任一约束条件不被满足，设计就被认为是不合理的。分析文件是一个ANSYS的命令流输入文件，包括一个完整的分析过程（前处理，求解，后处理）。它必须包含一个参数化的模型，用参数定义模型并指出设计变量，状态变量和目标函数。由这个文件可以自动生成优化循环文件（Jobname.LOOP），并在优化计算中循环处理。一次循环指一个分析周期。最后一次循环的输出存储在文件Jobname.OPO中。优化迭代是产生新的设计序列的一次或多次分析循环。一般来说，一次迭代等同于一次循环,但对于一阶方法，一次迭代代表多次循环。其中设计变量、状态变量、目标函数为三大优化设计变量。上述的许多概念可以用图解帮助理解。图5-1示出了优化分析中的数据流向。分析文件必须作为一个单独的实体存在，优化数据库不是ANSYS模型数据库的一部分。图5-1 优化数据流向5.2优化设计步骤与优化设计方法5.2.1优化设计步骤优化设计通常包括以下几个步骤：1）生成循环所用的分析文件。该文件必须包括整个分析的过程，而且 必须满足以下条件：a.参数化建立模型（PREP7）。b.求解（SOLUTION）。c.提取并指定状态变量和目标函数（POST1/POST26）。2）在ANSYS数据库里建立与分析文件中变量相对应的参数。3）进入OPT，指定分析文件（OPT）。4）声明优化变量。5）选择优化工具或优化方法。6）指定优化循环控制方式。7）进行优化分析。8）查看设计序列结果（OPT）和后处理（POST1/POST26）。5.2.2优化设计方法ANSYS中提供的优化设计方法有两种：一价方法和零价方法。一价方法通过计算因变量对自变量的偏导数，在每次迭代中，用最大斜度法或共扼梯度法确定搜索方向。因此，每次迭代都有一系列的子迭代组成。它的精度更高但计算量大，且有可能收敛于局部最小。零价方法的本质是采用最小二乘逼近，求一个函数面来拟合解空间，然后再对函数面求极值，优化精度不是很高。无疑这是一种普适的优化方法，不容易陷入局部极值点，但优化精度一般不是很高，因此多用来做粗优化。零阶方法又分为单步法、随机搜索法、乘子评估法、最优梯度法、扫描法、子问题近似法。本文选用零阶方法。采用零阶方法里的子问题近似法来进行优化设计，在该方法中，程序把优化循环生成的目标函数、状态变量与设计变量的关系拟合成曲线或曲面。然后在新一步迭代中用新生成的数据更新拟合好的曲线或曲面。在ANSYS中，目标函数与约束方程均采用复杂的二次方程式拟合的曲面方程： （5-1） 对于目标函数，采用加权最小二乘法来确定系数： （5-2）其中 ； ； ； 根据最小二乘原理求的极小值： （5-3） 通过解方程求得的值，即可得到目标函数和约束函数的拟合方程，再通过各种优化方法优化迭代，即可得到目标函数的极值。5.3箱体的优化设计5.3.1优化设计变量的确定及分析流程 优化模型的设计变量、约束条件、目标函数可表示为： 设有个设计变量，其中。目标函数为约束条件为： 即： （5-4）对于本减速器箱体的优化，可确定三大优化变量如下：1） 设计变量：根据生产实际要求，确定箱体的设计变量及其初始值如下：，如图5-2所示。 2）状态变量（约束条件）：箱体的最大变形分析结果的最大变形，根据箱体材料QT40015，箱体的最大应。3）目标函数：箱体内部尺寸不变，箱体重量最小，。图5-2 箱体的设计变量减速器箱体的分析流程，如图5-3所示：图5-3 减速器箱体分析流程图5.3.2设计变量的输入设计变量的输入：ParametersScalar,在弹出的对话框中，按图5-4所示填写，每次单击Accept。图5-4 Scalar Parameters5.3.3建立参数化的模型通过ANSYS本身提供的建模命令来建立箱体参数化的模型。ANSYS中有两种建模方法：自底向上建模和自顶向下建模。自底向上建模：用户首先建立一些点，然后依次是相关的线、面、体。自顶向下建模：ANSYS带有一些高级图元，如圆、正多边形、块、球、椎、柱等。在建立箱体参数化模型的过程中，将这两种方法结合起来使用。但是，只用这两种方法还不够，还要和布尔运算相结合。布尔运算包括：add、 subtract、intersect、divide、glue 以及overlap。参数化的模型如图5-5所示。图5-5 ANSYS中参数化的模型定义单元类型、定义材料属性、进行网格划分、施加载荷，进行求解与有限元分析部分的步骤相同，这里不再重复叙述。5.3.4箱体优化设计参数的定义与提取箱体优化设计参数的定义与提取由APDL来完成的，APDL程序为：/POST1 AVPRIN,0, , ETABLE,ev,VOLU, ！定义体积!* SSUM ！体积求和!* *GET,zv,SSUM, ,ITEM,EV ！体积提取AVPRIN,0, , ETABLE,nminc,NMISC, 10 ！定义应力!* ESORT,ETAB,NMINC,0,1, , !* *GET,nminc,SORT,MAX ！提取最大应力AVPRIN,0, , ETABLE, ,U,X ！定义X方向变形量!* !* ESORT,ETAB,UX,0,1, , !* *GET,df,SORT,MAX ！提取X方向最大变形量5.4优化结果及分析 优化后的最优序列如下所示： LIST OPTIMIZATION SETS FROM SET 1 TO SET 8 AND SHOW ONLY OPTIMIZATION PARAMETERS. (A * SYMBOL IS USED TO INDICATE THE BEST LISTED SET) *SET 8* (FEASIBLE) NMINC (SV) 33.905 DF (SV) 0.10762E-01 A (DV) 15.443 D (DV) 23.102 E (DV) 47.063 F (DV) 32.283 G (DV) 44.379 M (OBJ) 2356.659在优化过程中，箱体壁厚A、箱体支座厚度D、箱体输入连接部分厚度E、箱体重量M、箱体支座厚度F的变化如图5-6、5-7、5-8、5-9、5-10所示。 图5-6 A的变化曲线 图5-7 D的变化曲线 图5-8E的变化曲线 图5-9 M的变化曲线图5-10 F的变化曲线表5-1最优值与初始值的比较设计变量（DV）/mm状态变量（SV）目标函数（OBJ）A D E F GDF(mm) SMAX(MPa)M（Kg）原始值 30 40 80 40 50最优值 15.43 23.1 47.06 32.28 44.380.94326E-02 33.6510.10762E-01 33.9053204.8462356.659图5-11 优化后上箱体Y方向的应力分布云图箱体优化后，得到了箱体的优化序列，将最优值与初始值进行比较，如表5-1所示。从表5-1可以看出，优化后整个箱体的重量比优化前减少了848.178 Kg，箱体的制造成本减少了26.46%。箱体的所有设计变量都有所减小，优化后箱体的最大等效应力（SMAX）比优化前箱体的最大等效应力有所增加。优化后上箱体Y方向的应力分布云图如图5-11所示。从图5-11我们可以看出上箱体所受的最大应力出现在第3轴承座为26.76MPa，其余轴承座的应力不大于18.476 MPa，最大应力虽比优化前有所增加，但远小于材料的许用应力。5.5本章小结本章以箱体的重量最小为目标函数，以箱体的最大变形和箱体的应力为约束条件，建立了参数化箱体三维实体模型。并将APDL与ANSYS的优化设计结合对箱体的壁厚等进行了优化，得到了箱体重量的最优值。并对优化后结果进行了分析，结果是箱体的制造成本减少了26.46%。6 箱体疲劳分析疲劳是指结构在低于静态极限强度载荷的重复作用下出现断裂破坏的现象。疲劳寿命是指结构或机械直至破坏所作用的循环载荷的次数或时间。疲劳破坏的主要因素有经历循环载荷次数、每一个循环载荷的应力范围、每一个循环载荷的平均应力、局部应力集中现象的存在。本章利用ANSYS的疲劳分析功能对箱体进行了疲劳分析。ANSYS程序采用众所周知的“雨流”法自动计算所有可能的应力范围，并跟踪这些应力发生的次数。在选定的节点位置对产生最重要的应力强度范围的所有事件进行搜索，并记录在这些应力范围内产生的循环次数包含这些载荷的事件循环次数因此不断减少。至少这些事件之一的某一位置充分地受到最大和最小应力的作用，而被保存下来的属于这一事件的其他应力情况随后被忽略。这一过程一直进行到所有的应力范围及循环次数都被统计后结束。6.1基础理论786.1.1疲劳载荷许多机件是在循环载荷作用下工作的，其工作应力往往低于材料的屈服强度。机件在这种循环载荷下经过较长时间的运行而发生断裂的现象称为疲劳。它是机件早期失效的主要形式。循环载荷分为等幅载荷和变幅载荷两类。载荷幅值不随时间而变化的称为等幅载荷；变幅载荷是指其幅值随时间而变化的循环载荷，它可分为程序载荷和随机载荷。在循环载荷作用下机件内部所产生的应力称为循环应力，等幅应力变化中四种不同形式如图所示6-1。图中为正应力，t为时间。根据机件所受应力的大小，应力循环频率的高低，可分为高周疲劳和低周疲劳。所谓高周疲劳是指应力较低，应力循环频率较高情况下产生的疲劳；而工作应力近似于或高于材料的屈服强度，循环频率较低，断裂时应力循环小于次的情况下产生的疲劳，称为低周疲劳，也称应变疲劳。低周疲劳通常是指10105次循环，而高周疲劳是指超过105次循环47。通次循环过有限元分析结果可知箱体为高周疲劳循环。 .（6-1）.（6-2）.（6-3）其中 应力循环中具有最大代数值的应力； 应力循环中具有最小代数值的应力； 应力循环中最大应力与最小应力代数平均值； 应力循环中最大应力与最小应力代数差的一半； 图6-1等幅应力变化中四种不同形式6.1.2寿命的估算8 当零、部件所受的应力为恒幅应力时，采用简单的寿命估算法，即：根据确定零件危险处应力幅值，在零件的SN曲线上确定相应的循环次数，就是所要求的寿命。 当零、部件所受的应力为变幅应力时，采用线性积累损伤的方法，即： .（6-4）其中 可从载荷谱中获得； 对应于的循环次数，可以从SN曲线求得 为了评估疲劳寿命或疲劳强度，需建立外载荷与寿命之间的关系，反映外加应力和疲劳寿命之间关系的曲线叫S-N曲线，或称为曲线。用拟合材料的S-N曲线如图6-2所示。6-2材料的S-N曲线指数函数公式：9.（6-5） 式中a和C为取决于材料性能的常数。对上式两边取对数可得：.（6-6）式中的a和b为取决于材料性能的常数。由此可见，指数函数的S一N经验公式在半对数坐标图上为一直线。影响S-N的因素有很多：1)应力集中系数：结构的疲劳强度取决于局部的应力应变状态，结构的应力集中部位是疲劳的薄弱环节，它们控制了结构的疲劳寿命。 .（6-7）2）应力比3）平均应力4）加载方式6.2ANSYS疲劳分析基本术语 Location（位置）：在模型上储存疲劳应力的点，也就是结构上可能产生疲劳破坏的位置。 Event（事件）：是在特定的应力循环下，在不同事件内一系列的应力情况。 Loading（载荷）：是一个事件的部分，是应力条件之一。交变应力强度是两个载荷之间应力状态之差的度量。6.3 ANSYS疲劳计算的基本步骤 疲劳计算在通用后处理器POST1中进行，一般包括如下5个主要步骤：1）进入后处理POST1，恢复数据库。2）建立位置(Location)、事件（Event）和载荷（Loading）数、定义材料疲劳性质并确定应力位置和定义应力集中系数。3）保存不同事件（Events）和不同载荷（Loading）下关心位置的应力并指定事件（Event）的重复次数和比例系数。4）激活疲劳计算。5）查看结果。6.4减速器箱体的强度及疲劳分析结果6.4.1箱体疲劳强度分析 根据箱体应力分析的结果，得知箱体的编号为36597单元的最大等效应力为24.72MPa,该点处应进行箱体的疲劳强度的校核，该点处处于拉应力状态为23.375MPa。根据式（6-1）、（6-2）有： =24.0475MPa =0.6725 MPa由参考文献8有： =3.045.（6-8）其中，安全系数材料在对称循环下的弯曲疲劳极限； 弯曲时的有效应力集中系数； 不对称循环度系数，一般计算公式为； 尺寸系数； 表面系数； 根据参考文献8对于材料较均匀，载荷及应力知道比较精确时，安全系数为1.5，或者更小些，所以该点是比较安全的。 利用单元表来计算各个单元的安全系数是比较方便的。由于箱体的单元较多，下面选取受力比较有代表性的进行计算。其中包括受力最大、最小的单元和一些处于两者之间的单元如表6-1所示。表6-1ELEMENT 35134 3.43175 1.37865 19.85 35137 3.8847 1.1723 17.87 35879 0.03595 0.033053 1729 36288 4.19675 2.57075 15.62 35616 11.37175 5.2725 5.92 36597 24.0475 0.6725 3.045 37187 15.022 1.186 4.8244 从表6-1可以看出， 36297单元的安全系数是最小的，其余单元的安全系数均比较大，即箱体在工作中36297单元为相对来说最薄弱的地方。但是，箱体的许用安全系数为1.5，所以箱体所有区域都是安全的，且安全系数相对很大，说明箱体设计有很大的预量。6.4.2疲劳分析结果疲劳计算：Main MenuGeneral PostprocFatigueCalculate Fatig。计算结果如下表6-2所示，在选定的位置上的节点数是394。箱体在循环0.1000E+07时，箱体的积累疲劳寿命耗用系数0.100001，说明该箱体不会发生疲劳破坏。将优化后的箱体同样做疲劳分析，箱体疲劳分析结果如表6-3所示，从表6-3可以看出箱体在选定位置上的节点数是168。箱体在循环0.1000E+07时箱体的积累疲劳寿命耗用系数为0.100001，说明箱体优化后不会发生疲劳破坏。表6-2PERFORM FATIGUE CALCULATION AT LOCATION 1 NODE 0 * POST1 FATIGUE CALCULATION *LOCATION 1 NODE 394 EVENT/LOADS 1 1 evel AND 1 2 evel PRODUCE ALTERNATING SI (SALT) = 4.9009 WITH TEMP = 0.0000 CYCLES USED/ALLOWED = 0.1000E+07/ 0.1000E+08 = PARTIAL USAGE = 0.10000 CUMULATIVE FATIGUE USAGE = 0.10000表6-3 * POST1 FATIGUE CALCULATION *LOCATION 1 NODE 168 EVENT/LOADS 1 1 evel AND 1 2 evel PRODUCE ALTERNATING SI (SALT) = 12.445 WITH TEMP = 0.0000 CYCLES USED/ALLOWED = 0.1000E+07/ 0.1000E+08 = PARTIAL USAGE = 0.10000 CUMULATIVE FATIGUE USAGE = 0.10000 6.5本章小结 本章介绍了ANSYS的疲劳模块，介绍了疲劳分析的理论知识及基本术语。并利用单元表来计算箱体的安全系数，从计算结果可以看出，整个箱体的安全系数较大，箱体中最小的安全系数为3.045大于箱体的许用安全系数1.5。所以箱体所有区域都是安全的。运用ANSYS疲劳分析功能对箱体进行了疲劳分析，得到箱体在循环0.1000E+07次时，疲劳寿命耗用系数为0.100001，说明该箱体不会发生疲劳破坏。并且计算了优化后箱体在循环0.1000E+07次时，疲劳寿命耗用系数为0.100001，说明优化后的箱体同样不会发生疲劳破坏。7箱体模态分析7.1模态分析基本思想 结构的动态分析和动态设计中，广泛采用模态分析技术。这是一种综合振动试验、数据处理及计算机技术求取机械结构动态特性的有效工具。在机械结构的现代设计方法中，需要研究结构的固有振动特性、外界作用力及其在外力作用下的运动响应三者间的内在关系。通常描述结构振动特性的参数是各阶固有频率、阻尼比及振型。这些参数又称为模态参数，所以获取这些参数的方法就称为模态分析技术。 模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型，这些模态参数可以由计算或实验分析取得。基于线性叠加原理，一个复杂的振动系统可以分解为许多模态的叠加，这样一个分解过程称为模态分析。任何结构或部件都有固有频率和相应的模态振型，这些属于结构或部件自身的固有属性。如果知道了结构的固有频率，便可在设计时使结构的固有频率避开其在使用过程中外部汲振频率。通过模态分析还可以了解箱体的弯曲刚度和扭转刚度的分布情况。7.2模态分析的基本原理 典型的有阻尼结构自由振动的运动方程如下： （7-1）其中系统的质量矩阵； 系统的阻尼矩阵； 系统的刚度矩阵； 位移矩阵； 外力矩阵；如果方程的右端项为零，忽略阻尼的影响，方程的求解变成为特征值问题，计算所得到的特征值及特征向量即为结构的模态参数，这是模态分析的解析方法。 （7-2）令则有： （7-3）代入运动方程则有： （7-4）7.3箱体的模态分析过程 ANSYS中的模态分析是线性分析，在模态分析中只有线性行为是有效的。任何非线性特性，将被忽略。一个典型的模态分析过程包括：建立有限元模型、加载及模态求解、扩展模态以及观察结果四个步骤。（1） 建立有限元模型。建立有限元模型是对实际物体的仿真，减速器箱体的建立在第二章已有详细的叙述，值得指出的是在定义材料属性时，除了定义材料的弹 性模量、泊松比外还要定义材料的密度。本箱体的材料密度为7.31038。定义完材料属性和单元类型，进行网格划分，形成有限元模型。（2） 加载及模态求解。这一步中主要定义分析类型、指定分析设置、定义载荷和边界条件、指定加载步过程设置，然后进行有限元分析求解固有频率。在求解结束后，要扩展模态以便观察。进入ANSYS求解器，定义分析的类型并对求解选项进行设置，分析类型选Modal(模态分析):ANSYS提供了7种模态提取方法，它们是 Subspace、Block Lanczos、Power dynamics、Reduced、Unsymmetric、Damped和QR Damped。在指定某种模态提取方法后，ANSYS会自动选择合适的方程求解，用户可根据模型的实际情况和需要进行选择。这里选择Block Lanczos法，该方法的特点是计算速度较快，输入的参数少，特征值和特征向量的求解精度高，适用于大型对称特征值的求解问题。另外，还需要指定所需提取的模态数, 设置提取的模态数为 6。定义扩展模态选项(MXPAND):指定是否需要扩展模态以及需要扩展的模态数目;指定是否计算单元应力。除了查看变形以外单元求解的其它结果，则需要打开“Calculate elem results”选项;质量矩阵形成方式:指定质量矩阵形成方式(LUMPM)，对于大多数问题推荐采用系统形成方式;指定预应力效应选项(PSTRES):默认情况下，ANSYS的模态分析是不包含预应力的，要注意的是对于分块兰索斯法，需要指定约束方程处理方法(Cekey) ;施加荷载:在典型的模态分析中只考虑施加零位移的DOF约束，在提取模态时，施加在模型上的力、压力、加速度等荷载将被忽略，但程序会计算出所加荷载的荷载向量，并写入振型文件Jobname MODE中，以便在模态叠加法谐响应分析或瞬态分析中使用。根据箱体的安装方式，定义箱体的输入部分与输出部分为全约束，如图7-1所示。定义载荷步选项:模态分析中，唯一可用的载荷步选项是阻尼选项和输出控制;开始求解计算。 (3)扩展模态:重新进入ANSYS求解器，激活Expansion Pass，设置扩展模态选项，主要是通过指定频率范围或给定数目，定义要扩展的模态数。进行输出控制，开始扩展处理，退出求解器。如果在模态求解阶段包含了MXPAND命令，则程序将在求解模态的同时对指定模态进行扩展，模态扩展数为 6。(4)检查计算结果:模态分析的结果被保存在结构分析结果文件JobnameRST中，包括固有频率、已扩展的振型等。检查方法是进入通用后处理器(POST 1)就可以读入结果数据。各阶模态以单独的子步保存在结果文件中，子步序数代表了模态的阶数。另外，还可对结果数据进行列表或图形显示，通过显示结构变形图可以查看扩展的振型。7.4箱体模态分析结果在通用后处理器里查看结果，箱体各个阶数的固有频率如表7-1所示，提取2-7阶箱体的变形如图7-2、7-3、7-4、7-5、7-6、7-7所示。图7-1箱体的载荷的施加方式 图7-2 箱体的二阶振型 图7-3箱体的三阶振型 图7-4箱体的四阶振型 图7-5箱体的五阶振型 图7-6箱体的六阶振型 图7-7箱体的七阶振型图7-8第7阶箱体Y方向的位移云图表7-1箱体的各阶固有频率阶次 固有频率/Hz 振型描诉1 0.0000 垂直弯曲模态2 94.436 垂直弯曲模态3 167.75 水平扭转模态4 188.94 水平扭转模态5 235.55 弯扭结合模态6 289.18 弯扭结合模态7 321.72 垂直弯曲模态8 397.64 弯扭结合模态9 411.08 水平扭转模态10 457.16 水平扭转模态二阶为垂直弯曲振型，除箱体尾部变形小外，其余均有变形，其中输入连接盘处变形最大。 三阶为垂直弯曲振型，表现为箱体二轴部位下弯变形最大。 四阶为水平扭转振型，箱体3、4轴承座之间的扭转变形最大，箱体的前端有变形较大变形，后端变形较小。 五阶为水平扭转振型，箱体3、4轴承座之间的扭转变形最大，箱体的两端变形较小。 六阶为弯扭转振型，上、下箱体的散热装置附近处扭转变形最大，同时还有一定的弯曲变形。 七阶为弯扭结合振型，上、下箱体的散热装置附近处弯曲变形最大，且出现了局部变形，同时还有一定的扭转变形。此时箱体的固有频率为321.719Hz。 图7-8为第7阶Y方向的位移云图，箱体的Y方向最大变形为3.829mm。 通过箱体的模态分析可以看出箱体3、4轴承座之间比较薄弱，可以加厚加强筋得以改进，从而增加箱体的刚度。另外箱体散热装置附近也是易于出现变形的地方，须采取措施加强此处的刚度和强度。7.5本章小结 本章介绍了模态分析的基本原理、过程。得到了箱体模态分析的十阶振型及固有频率。通过箱体的模态分析得出箱体3、4轴承座之间比较薄弱，可以加厚加强筋得以改进，从而增加箱体的刚度。另外箱体散热装置附近也是易于出现变形的地方，须采取措施加强此处的刚度和强度。结论（1） 本文运用Pro/ENGINEER二次开发功能实现了张家口煤矿机械有限公司开发的1000KW矿用减速器箱体进行了参数化设计，输入不同的功率、输入速度、输出速度得到不同规格的箱体，实现了箱体三维可视化设计。（2） 通过Pro/ENGINEER与ANSYS的接口，将Pro/ENGINEER中的模型导入到ANSYS中，对箱体进行有限元分析。得到了箱体的受力云图，从箱体的受力云图可以看出箱体没有应力集中现象出现。箱体的最大应力出现在下箱体第三轴承座为23.375 MPa远小于材料的许用应力250MPa，箱体的设计的预量很大，造成了材料的浪费。（3） 根据有限元分析结果，首次将ANSYS参数程序设计语言与ANSYS优化设计模块应用于矿用减速器箱体进行优化设计。本文保持箱体内部尺寸不变建立了箱体参数化的模型，以箱体的重量最小为目标函数，对箱体的箱体壁厚等进行了优化，得到了箱体重量的最优值。并对优化后结果进行了分析，结果是箱体的制造材料减少了26.46%。（4） 运用ANSYS疲劳分析功能对箱体进行了疲劳分析，得到箱体在循环0.1000E+07次时，疲劳寿命耗用系数为0.100001，说明该箱体不会发生疲劳破坏。并且计算了优化后箱体在循环0.1000E+07次时，疲劳寿命耗用系数为0.100001，说明优化后的箱体同样不会发生疲劳破坏。利用单元表来计算箱体的安全系数，从计算结果可以看出，整个箱体的安全系
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号