减速器箱体的有限元分析.docx

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减速器箱体的有限元分析

基于ANSYS的减速器箱体建模与分析

班级：

机电技术研究所

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学号：

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2013年5月

1.有限元法基础知识

1.1有限元法

有限元法（FiniteElementMethod，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，从其出现至今已经过了约半个世纪的发展。

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。

1.2有限元法的基本思想

有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。

由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。

通常有限元法都遵循以下基本步骤：

物体的离散化：

离散化是有限元法的基础，这就是依据结构的实际情况，选择合适的单元形状、类型、数目、大小以及排列方式，将拟分析的物体假想地分成有限个分区或分块的集合体。

假设这些单元在处于它们边界上的若干个离散节点处相互连接，这些节点的位移将是该问题的基本未知参数。

挑选形函数或插值函数：

选择一组函数，通常是多项式，最简单的情况是位移的线性函数。

这些函数应当满足一定条件，该条件就是平衡方程，它通常是通过变分原理得到的，就可由每个“有限单元”的节点位移唯一地确定该单元中的位移状态。

确定单元的性质：

确定单元性质就是对单元的力学性质进行描述。

确定了单元位移后，可以很方便地利用几何方程和物理方程求得单元的应变和应力。

一般用单元的刚度矩阵来描述单元的性质，确定单元节点力与位移的关系。

组成物体的整体方程组：

组成物体的整体方程组就是由已知的单元刚度矩阵和单元等效节点载荷列阵集成表示整个物体性质的结构刚度矩阵和结构载荷列阵，从而建立起整个结构已知量——总节点载荷与整个物体未知量——总节点位移的关系。

解有限元方程和辅助计算：

引入强制边界条件，解方程得到节点位移。

一般整体方程组往往数目庞大，可能是几十个、几百个，以至于成千上万个。

对于这些方程组需要一定的计算数学方法解出其未知量。

然后，根据实际问题进行必要的辅助计算。

1.3有限元法分析流程图

完整的有限元分析流程图如下：

1.4有限元分析软件

ANSYS软件的主要功能包括建立模型、结构分析、非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、接触分析、压电分析、结构优化等。

ANSYS的建模功能：

有限元分析软件ANSYS的前处理器功能很强大，具有强大的建模功能。

建模时，需要先建立结构的几何模型，给出材料参数和单元类型，最后划分网格，形成结构的有限元模型。

。

ANSYS提供了三种创建模型的方法：

实体建模方法、直接建模方法和输入在其它计算机辅助设计系统中创建的模型。

ANSYS的分析功能：

ANSYS软件的分析功能包括结构分析、非线性分析、热分析、电磁场分析、电场分析、流体流动分析、耦合场分析结构分析包括静力学分析、模态分析、谐波分析、瞬态分析、响应谱分析、随机振动分析和屈曲分析。

非线性分析包括结构非线性、材料非线性、几何非线性分析和单元非线性分析。

热分析包括稳态热分析、瞬态热分析、相变分析和热——结构耦合分析。

电磁场分析包括静态电磁场、低频时变电磁场和高频时变电磁场。

电场分析包括电流传导、静电分析和电路分析。

流体流动分析包括计算流体力学分析（层流、湍流和热流体）和声学分析。

耦合场分析适合于热——应力、磁——热、磁——结构、流体流动——热、流体流动——结构、热——电、电路耦合电磁场、电磁及压电耦合分析。

ANSYS软件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划网格的子模型功能和参数设计语言（APDL）可以进行结构的优化。

2.减速器箱体有限元分析

2.1问题描述

减速器是原动机和工作机之间独立的闭式机械传动装置。

用来降低原动机转速或增大转矩，以满足工作机的需要。

由于减速器具有结构紧凑，传动效率高，传动准确可靠，使用维护方便等优点，故在工矿企业及运输，建筑等部门中运用极为广泛。

虽在工作中减速器壳体破坏的可能性比较小，但它的刚性对减速器运转的平稳性起着决定作用，而且影响齿轮和轴承的工作状况。

采用有限元结构分析软件对其进行强度、刚度计算，可获得减速器壳体在最大载荷作用下各部位的应力和变形的分布情况。

设计目的：

利用ANSYS软件对减速器壳体进行有限元分析，找出最大应力和变形发生点，通过调整加强筋的数量和位置，使减速器壳变形最小，合理布置筋板，减轻减速器重量。

设计参数：

材料：

HT150（铸铁）；

弹性模量：

1.16e+5MPa；

泊松比：

0.194；

密度：

7.0e+9kg/mm3

2.2减速器箱体静态有限元分析

步骤1：

建模

在ANSYS中直接建模有一定的难度，考虑到其与多数绘图软件具有良好的数据接口，可以方便的转化，而PRO/E软件以其参数化、全相关的特点在零件造型方面表现突出，可以通过参数控制模型尺寸的变化，因此本文采用通过PRO/E软件对齿轮进行参数化建模，然后将模型导入到ANSYS软件中的方法。

步骤2：

导入模型

启动ANSYS，单击菜单UtilityMenu→FILE→IMPORT然后把路径指向之前保留的文件。

单击[OK]按钮提取模型。

再选择UtilityMenu→PlotCtrls→Style→SolidModelFacets，在弹出窗口中的Styleofareaandvolumeplots选项中选择NormalFaceting，以实体形式显示模型。

如图2.1

图2.1

步骤3：

设单元属性

（1）定义单元类型：

1.从主菜单中选择MainMenu:

Preference命令，将打开PreferenceofGUIfiltering对话框，选中Structural复选框，单击“ok”按钮确定，如图2.2.

2.从主菜单中选择MainMenu:

Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete命令，将打开ElementType对话框。

3.单击Add按钮，将打开LibraryofElementType。

4.在对话框的左边列表框中选择Solid选项。

5.在对话框的右边列表框中选择8node185选项。

6.单击“ok”按钮，在单击Close按钮，如图2.3。

图2.2

图2.3

（2）定义材料属性

1.从主菜单中选择MainMenu:

Preprocessor→Materialprops→MaterialModel命令，打开DefinematerialModelBehavior窗口。

2.依次单击Structural→Linear→Elastic→Isotropic,将打开材料的弹性模量和泊松比的定义对话框。

3.在EX文本框中输入弹性模量1.16e+5，在PRXY文本框中输入泊松比0.194，如图2.4。

4.单击“ok”按钮。

5.设置密度DENS=7.0E+9kg/mm3。

6.关闭DefinematerialModelBehavior窗口。

图2.4

步骤4:

分网格

1.从主菜单中选择MainMenu:

Preprocessor→Meshing→MeshTool，打开MeshTool网格工具。

2.单击Global项的Set按钮，设置size=6，单击ok按钮。

3.选择Mesh域中的volumes，单击Mesh按钮，打开面选择对话框，单击对话框的PickAll按钮。

4.ANSYS网格划分结果如图2.5所示。

图2.5

步骤5：

求解

（1）添加约束:

从主菜单中选择MainMenu:

Solution→DefineLoads→Apply→structural→Displacement→onArea命令，在减速器箱体底盘时间约束，单击左侧的拾取对话框中的ok按钮。

在施加约束的对话框中选择ALLDOF，单击OK按钮，如图2.6。

（2）添加载荷：

从主菜单中选择MainMenu:

Solution→DefineLoads→Apply→structural→Pressure→OnAreas，拾取与轴的接触面，在VALUELoadPRESvalue输入1000，施加压力，点击ok按钮完成有限元模型。

单击“SAVE-DB”按钮，保存数据库，如图2.6。

图2.6

（3）求结果：

从主菜单中选择MainMenu:

CurrentLS命令，打开一个求解确认对话框和状态列表。

1.查看列表信息确认无误后，单击“ok”按钮，开始求解。

2.求解完成后单击“Close”按钮，关闭求解完成对话框。

步骤6结果处理

（1）查看变形

从主菜单中选择MainMenu:

GenneralPostproc→PlotResults→ContourPlot→NodalSolu命令，绘制等效应力图。

YZ面上的应力分布：

总应力图：

（2）绘制变形图

从主菜单中选择MainMenu:

GenneralPostproc→PlotResults→Deformedshape

x轴方向变形

Z轴方向变形

总位移

步骤7结果分析

计算完成后，计算结果在ANSYS后处理器中显示。

从这些应力分布图来看，箱体的各轴承座受载区域的应力大于其它区域，箱体的轴承座附近的筋板处的应力较大。

3.结论

1.由于直接在ANSYS中精确建立减速器箱体很困难，可利用Pro/E进行建模。

并将此轮廓导入ANSYS中，在ANSYS软件中建立了箱体的三维实体模型。

这为在ANSYS中精确建立零件的三维实体模型提供了一种方法。

2.箱体按ANSYS的自由网格划分。

自由网格划分是自动化程度最高的网格划分技术之一，它在面上（平面、曲面）可以自动生成三角形或四边形网格，在体上自动生成四面体网格。

通常情况下，可利用ANSYS的智能尺寸控制技术（SMARTSIZE命令）来自动控制网格的大小和疏密分布，也可进行人工设置网格的大小（AESIZE、LESIZE、KESIZE、ESIZE等系列命令）并控制疏密分布。

对于复杂几何模型而言，这种分网方法省时省力，我们设置智能网格划分的精度等级为7。

3.箱体的各轴承座受载区域的应力大于其它区域，箱体的轴承座附近的筋板处的应力较大。

所以通过调整加强筋的数量和位置，使减速器壳变形最小，合理布置筋板，减轻减速器重量。