基于SolidWorks的行星架有限元分析及優(yōu)化設(shè)計

2013-06-27 by:廣州Solidworks培訓中心來源:仿真在線

基于SolidWorks的行星架有限元分析及優(yōu)化設(shè)計

0 引言

在NGW型行星傳動中,行星架是承受外力矩最大的零件。其結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造對各個行星輪間的載荷分配以及傳動裝置的承載能力、噪聲和振動等有很大影響。結(jié)構(gòu)合理的行星架應(yīng)當具備重量輕、剛性好、便于加工和裝配的特點。但基于傳統(tǒng)力學方法所設(shè)計的行星架往往安全系數(shù)太高,導致其結(jié)構(gòu)笨重。本文采用SolidWorks軟件對行星架進行三維建模和有限元分析,并對其結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計,獲得了重量更輕、同時滿足強度和剛度要求的行星架結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 建立三維模型

某行星架結(jié)構(gòu)如圖1所示,該行星架為雙壁整體式結(jié)構(gòu),共具有6個行星輪軸孔,左右壁通過連接板相連,左右側(cè)圓柱面為軸承位,右邊套筒內(nèi)制出鍵槽,通過平鍵與輸出軸相連而輸出扭矩。行星架材料為ZG55,屈服強度為340MPa,質(zhì)量為26.94kg。利用SolidWorks基于特征的參數(shù)化造型功能可建立該行星架的精確模型。

圖1 行星架結(jié)構(gòu)簡圖

2 有限元網(wǎng)格劃分

在SolidWorks的Simulation模塊下劃分行星架的有限元網(wǎng)格。為保證有限元分析的精確度,選擇較高的網(wǎng)格品質(zhì),并打開自動過渡功能,以使有限元模型在連接板與左右壁結(jié)合處等易產(chǎn)生較大應(yīng)力的部位具有較大的網(wǎng)格密度,而其余部位的網(wǎng)格密度相對較小,這樣可有效提高分析精度并控制計算規(guī)模。所形成的行星架有限元模型如圖2所示,共有70893個節(jié)點,44530個單元。

圖2 行星架有限元網(wǎng)格模型

3 載荷及邊界條件

該行星減速器基本工作參數(shù):輸入轉(zhuǎn)速na=1000r/min,輸入功率Pi=67.6kW,傳動比i=8.08。

則行星架輸入扭矩

輸出扭矩TH=Tai=5218.55Nm

輸出扭矩由行星架左右壁上的6個行星輪軸孔承受的法向推力所產(chǎn)生,各孔中心的分布圓半徑r=0.0945m。該行星減速器的均載方式為太陽輪浮動,據(jù)此取載荷不均勻系數(shù)Kc=1.15。則每個軸孔所承受的推力

將此推力按法向施加于各行星輪軸孔的半圓柱面上完成載荷的施加。

根據(jù)行星架安裝及運轉(zhuǎn)方式,在左右側(cè)外圍柱面施加“軸承支撐”的邊界條件。為防止可能導致結(jié)果奇異的旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性,應(yīng)將“穩(wěn)定軸旋轉(zhuǎn)”項設(shè)置為有效。

對右邊套筒內(nèi)的鍵槽一側(cè)工作平面施加“固定”約束。

4 有限元分析

為有限元模型賦予“鑄造碳鋼”材料后執(zhí)行分析。圖3為行星架的應(yīng)力云圖,圖4為位移云圖。

由圖3可知,行星架的最大應(yīng)力發(fā)生行星輪軸孔上,為23.77MPa,左壁與連接板內(nèi)圈的結(jié)合處應(yīng)力也較大,為20MPa左右。

由圖4可知,行星架因扭矩作用,右壁相對于左壁產(chǎn)生了一個微小轉(zhuǎn)角,最大位移發(fā)生在右壁邊緣。行星架的應(yīng)力和位移模式與參考描述基本一致,說明行星架有限元分析的結(jié)果是可信的。但其最大應(yīng)力遠遠小于屈服強度,安全系數(shù),na=340/23.77=14.30,最大位移也非常小,僅0.0012mm。可見該行星架的強度和剛度余量太大,有必要對其進行優(yōu)化設(shè)計,從而在保證安全的基礎(chǔ)上減輕結(jié)構(gòu)重量。

圖3 行星架應(yīng)力云圖(變形比例1500)

圖4 行星架位移云圖(變形比例1500)

5 行星架的優(yōu)化設(shè)計

采用Simulation集成的優(yōu)化功能進行行星架的優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計目標函數(shù)為行星架的質(zhì)量最輕。設(shè)計變量則選擇對行星架的質(zhì)量和應(yīng)力水平有重大影響的結(jié)構(gòu)參數(shù),但行星架的動力輸入輸出部分不應(yīng)改動,以避免整個行星減速器的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大變化。

依據(jù)上述原則本文選擇左右壁厚度算x1、連接板與左右壁之間的鑄造圓角半徑x2、連接板內(nèi)徑x3,作為設(shè)計變量(各變量如圖1所示)。各變量的取值范圍:12≤x1≤36。3≤x2≤5,80≤x3≤120。需要注意的是各變量的取值需經(jīng)多次試驗.若采用SolidWorks默認的取值范圍則有可能因模型幾何條件錯誤而導致優(yōu)化失敗。分別以強度和剛度作為約束條件,取安全系數(shù)為3.5,則行星架應(yīng)力上限為340/3.5=97.14MPa。位移上限取0.1mm。經(jīng)過15次迭代以后,成功找到最優(yōu)解。為便于制造,應(yīng)對優(yōu)化結(jié)果進行圓整,相關(guān)數(shù)據(jù)列于表1中。

表1 行星架優(yōu)化前后相關(guān)數(shù)據(jù)對比

由表1可知,與優(yōu)化前相比,行星架左右壁厚及連接板內(nèi)徑均大幅減小,連接板與左右壁之間的鑄造圓角增大,用圓整后的行星架參數(shù)進行有限元分析,可知最大應(yīng)力由23.77MPa上升到65.48MPa,最大位移由0.0012mm增大至O.0710mm,但二者均在安全范圍以內(nèi),說明行星架的強度和剛度更加合理。行星架的質(zhì)量由26.94kg下降到19.95kg。比優(yōu)化前減輕了25.95%,說明優(yōu)化對減輕行星架質(zhì)量、節(jié)約材料的效果明顯。

6 結(jié)語

(1)本文采用SoIidWorks的Simulation模塊對行星架進行了有限元分析,結(jié)果表明最大應(yīng)力遠小于材料的屈服應(yīng)力.說明初始設(shè)計的強度和剛度余量太大,存在材料浪費現(xiàn)象;

(2)在有限元分析的基礎(chǔ)上,對行星架進行了優(yōu)化設(shè)計,優(yōu)化后的行星架強度和剛度趨于合理,整體質(zhì)量減輕了25.95%,可大大降低原材料消耗及生產(chǎn)成本。

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