基于SolidWorks和ANSYS的新型減速機的有限元分析

1、基于 SolidWorks 和 ANSYS 的新型減速機箱體的有限元分析 摘要：本論文運用常用三維建模軟件 SolidWorks,建立水泥生產(chǎn)用新 型減速器箱體的三維模型，利用 SolidWorks與ANSYS12.1的相應(yīng)接 口技術(shù),將建立的減速機箱體三維模型導(dǎo)入 ANSYS 中。通過對箱體 進(jìn)行應(yīng)力分析,得到應(yīng)力分布圖、位移信息,找到最薄弱的區(qū)域；并 通過模態(tài)分析分析箱體固有頻率及振型, 為減速機箱體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提 供有效依據(jù)。關(guān)鍵詞：ANSYS ； SolidWorks;減速機箱體；有限元分析0 引言減速器作為機器的重要組成部分, 主要是用來將原動機的運動和 力傳遞給工作機, 并且改變原動

2、機的運動速度和形式、 力或力矩的大 小與方向,使之適應(yīng)其他工作機的需要。近年來,由于水泥工業(yè)的飛 速發(fā)展,與之相應(yīng)的水泥用減速機的應(yīng)用也升級迅速, 本文的主要任 務(wù)是對水泥生產(chǎn)用的新型減速器箱體進(jìn)行應(yīng)力分析和模態(tài)分析, 通過 對箱體的應(yīng)力分析, 得到相應(yīng)的應(yīng)力分布圖, 并且找到減速機箱體應(yīng) 力最薄弱的區(qū)域； 通過對減速機的模態(tài)分析, 研究箱體的固有頻率及 陣型,從理論上分析了減速機箱體產(chǎn)生振動的敏感部位。 將分析的結(jié) 果與實際試驗的結(jié)果比較, 從而對減速器箱體進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提 供參考依據(jù)。1. 減速機箱體數(shù)學(xué)模型的建立（1）運用SolidWorks軟件建立箱體模型雖然 ANSYS 自身帶有

3、建模功能,但是這個建模功能非常有限,只能處理一些相對簡單的模型。而本文進(jìn)行分析的減速箱體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，ANSYS自帶的建模功能不能滿足本文所需箱體模型的建立。 而SolidWorks軟件具有強大的建模功能，利用它來建立本文所需的 模型就相對簡單一些，所以本文采用 SolidWorks軟件來建立箱體的 三維模型。在建模的過程中，對減速機箱體模型進(jìn)行了一些簡化。簡 化了減速機箱體的結(jié)構(gòu)，將上、下箱體以及輸入端軸承蓋作為一個整 體，忽視過渡圓角、吊耳、油杯孔、螺紋孔、部分凸臺以及頂部密封， 然后按照設(shè)計圖紙在準(zhǔn)確尺寸的基礎(chǔ)上建立了箱體的三維模型。最終 建立的形體模型如圖1所示圖1箱體三維模型2減速機

4、箱體的有限元分析（1）將SolidWorks三維模型導(dǎo)入到 ANSYS中SolidWorks和ANSYS之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換有多種方法，其中常用的 有下面兩種： 將ANSY陳成于SolidWorks中，由于ANSYS12.1是最新版 本的ANSY嗽件，其與SolidWorks的接口可以在安裝的時 候直接對接口進(jìn)行設(shè)置。在完成減速機箱體模型的建立后，可以直接點擊SolidWorks中的“ ANSY”如此可以將箱體 三維模型自動導(dǎo)入到 ANSYSK 將在 SolidWorks中建立的三維模型另存為Parasolid(*x_t) 格式，再導(dǎo)入到ANSYS在ANS丫斛面點擊file-Import-PARA

5、，找到文件夾中箱體三維模型，就可 以將其導(dǎo)入到ANSYSK本文利用方法2進(jìn)行模型的導(dǎo)入，并設(shè)定作業(yè)名和標(biāo)題，如圖2所示圖2導(dǎo)入的減速機箱體模型(2) 減速機箱體的應(yīng)力分析定義單元類型、材料屬性，并對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分考慮到減速機箱體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，本文選定帶中節(jié)點的10節(jié)點四面體單元solid92的單元類型減速機的材料為灰鑄鐵，彈性模量Ex=140000,泊松比PRX Y二 0.25.由于減速機箱體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以對其進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，精 度等級選擇6級，得到的網(wǎng)格模型如圖3所示圖3箱體模型的網(wǎng)格劃分施加約束及載荷，并求解軸承所受載荷通常分為徑向載荷和軸向載荷， 作用于減速器的箱 體上。在工程設(shè)

6、計中，作用于軸承上的載荷一般都是按集中載荷進(jìn)行 計算的。 對于滾動軸承來說，作用于軸上的載荷通過滾動軸承內(nèi)圈 傳遞到滾動體上，然后通過滾動體傳遞到外圈上，再通過外圈傳遞到 箱體上，作用于箱體上的載荷屬于面上的分布壓力載荷。為了計算和添加載荷的方便，本次分析中，把軸向載荷視為作用在軸承蓋法蘭 面或軸承外圈擋圈上的均布壓力，把軸承座的徑向載荷按照最大載荷 處理，并作為均布載荷施加在作用面上。定義分析類型，施加邊界條件及載荷，然后求解。 查看結(jié)果并分析求解完成后，利用ANSYS生產(chǎn)的結(jié)果文件，查看各向位移和應(yīng) 力云圖，如圖4、5所示.圖4減速機箱體X、Y、Z和總位移圖從分析結(jié)果可以看出，最大位移發(fā)生

7、在輸入端軸承端蓋處，但是從各向位移視圖得到的結(jié)果卻表示為：在X方向的最大位移為 0.00338 mm,在Y方向的最大位移為 0.0145mm,在Z方向的最大位移為0.000868mm,總的最大位移為 0.0191 mm。以此，減速機幾乎沒有變形圖5箱體應(yīng)力云圖從圖5可以看出，最大應(yīng)力發(fā)生在輸入軸下方支撐處， 但是其應(yīng)力范圍為0.000763MPa18.6MPa由此得出，此減速機的設(shè)計過于安 全，設(shè)計余量富余，可以在保證減速機箱體受力和變形允許范圍內(nèi)對 該減速機進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，減少重量，以免浪費材 料，節(jié)省資源。(3) 減速機箱體的模態(tài)分析由于該新型減速機的前身在生產(chǎn)時發(fā)現(xiàn)振動比

8、較大，所以本文將對此新型減速機箱體進(jìn)行模態(tài)分析，以此來確定箱體的固有頻率和振 型，找出振動的敏感區(qū)域，為振動分析提供依據(jù)。將前面劃分好網(wǎng)格的模型重新調(diào)出，對其進(jìn)行模態(tài)分析設(shè)置，并 求解，得到相關(guān)模態(tài)分析結(jié)果，如表 1.表1固有頻率值SETTIME/FREQLOADSTEPSUBSTEPCUMULATIVE146.701111284.5471223115.241334145.131445155.76155圖5箱體前5階振型JHFLJW P lURU :JW hi -.NimANHHL 血 HUUua&lMGHSFNEH15HF-L JW M!HL1S-L!C-z-i .N9mANjSU. U 嚴(yán)

9、HSFLXLUraiJHFLJW !JMALW-P n .NUM-Filr V i Jvdwcvx-a !lAA an EAN血監(jiān)JCU9iIjEEFiL9- i JIA 13a I:圖5可以看出，一階頻率為沿丫軸正向平移振動，二階頻率 為沿丫軸負(fù)向平移振動，三階頻率為沿X軸負(fù)向平移振動，四階 頻率為沿X軸正向平移振動，五階頻率為沿Y軸正向中間處凹陷 振動3結(jié)論通過對新型水泥生產(chǎn)用減速機箱體的研究，在軟件SolidWorks中建立箱體的三維模型，將其導(dǎo)入到 ANSYS12.1中， 生產(chǎn)有限元模型。對箱體有限元模型進(jìn)行應(yīng)力分析和模態(tài)分析， 通過應(yīng)力分析找出箱體應(yīng)力最大的區(qū)域及位移，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力和 變形位移發(fā)生在輸入軸下方支撐處；通過對箱體進(jìn)行模態(tài)分析， 研究了箱體的固有頻率和振型，找出箱體振動敏感區(qū)域。經(jīng)分析 表明，固有頻率都在系統(tǒng)的共振范圍之外，由此得出該減速機箱體的設(shè)計比較合理。在保證箱體所受應(yīng)力和變形情況允許的情況 下，可以進(jìn)一步對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。參考文獻(xiàn)：1 王丹，李強高速客車車體鋼結(jié)構(gòu)彈性模態(tài)分析研究J.北 方交通大學(xué)學(xué)報， 2001， 25(4)：9496.2 李潔，項昌樂，劉輝變速箱箱體振動特性的數(shù)值模擬分析J.中國工程機械學(xué)報，2009, 7 (2) :142145.3 薛風(fēng)先，胡仁喜，康士廷等 Ans