基于Pro/E和ANSYS的建筑機械變速箱的優化

＊張中飛 羅國富 劉庚 吳達遠

（鄭州輕工業學院 機電工程學院 河南 450002）

基于Pro/E和ANSYS的建筑機械變速箱的優化

＊張中飛 羅國富 劉庚 吳達遠

（鄭州輕工業學院 機電工程學院 河南 450002）

本文基于Pro/E創建建筑機械變速箱的實體模型。實體模型使用IGES格式導入ANSYS軟件。采用有限元法計算箱體上蓋、下箱的位移，應變和應力。根據計算結果，變速箱在結構和材料經過優化后，箱體的重量減少了18kg。計算結果表明，優化后變速箱的強度和剛度變化不大。

建筑機械；變速箱；Pro/E；ANSYS；優化

1.引言

齒輪減速機是建筑機械的進口傳動機構。很長時間以來，工程機械減速機設計都基于傳統設計方法。首先，設計師尋找相關文件和設計數據，比較設計的減速器和現有的減速機，然后結合設計經驗給出設計方案，并檢查其組件。

變速箱是齒輪減速機中最復雜的部件。變速箱的載荷很復雜，包括彎曲應力和扭轉應力。如果變速箱的強度很低，它就不能夠承受適當的載荷。傳統的設計方法通常使用較大的安全系數，導致變速箱的重量很重、體積很大，浪費了很多材料。因此它是很必要用現代的設計方法去優化變速箱。現在有很多優化方法; 變速箱結構優化是最佳的優化方法。為了優化它的結構，應該找出和分析其強度最低的部位。因此，使用了ANSYS軟件常常用來分析變速箱的應力，然后根據ANSYS的分析結果提出相應的優化方法。

2.變速箱模型分析

我們知道，建筑機械的變速箱實體模型很復雜，可以用ANSYS軟件來創建，但非常困難。復雜的組件通常由其他3D軟件來創建，比如Pro/E。變速箱的實體模型由Pro/E來創建，簡化如下。上蓋與下箱，通過螺栓連接進行固定，保證沒有相對滑動。因此，上蓋和下箱的實體模型分別獨立創建。當模型導入到ANSYS軟件中時，為了防止實體部分的丟失一些結構，有些結構將被忽視，比如螺絲，墊片等。實體模型,下箱如圖1和上蓋如圖2所示。

圖1 下箱

圖2 上蓋

實體模型在創建完成后應導入到ANSYS軟件中。有兩種方法通常被用于在Pro/E和ANSYS之間進行數據交換。一個是IGES，另一個是在ANSYS軟件中的數據更改界面。 變速箱模型通過接口引入ANSYS，其Analysis分析模型如圖3。

圖3 Analysis分析模型

3.計算與分析

(1)變速箱模型網格劃分

根據相關要求，計算解決方案為等級6.根據變速箱的結構，使用ANSYS軟件工具劃分網格。其中有184692個節點和98738個節點，如圖4所示。

圖4 模型的網格劃分

圖5 變速箱的約束

(2)加載與約束

變速箱的三邊通過三個M16螺栓固定在傳動板上。約束和固定位置如圖5所示。輸入軸的輸入轉矩根據功率計算。根據力學模型，計算出輸入軸齒輪的反作用力，然后計算承載力。采用相同的方法計算出中軸和輸出軸的反作用力。

(3)計算結果

根據載荷和約束條件，得到其應變和應力，如圖6、圖7、圖8、圖9。

圖6 變速箱的位移

圖7 上蓋的應力

圖8 上蓋的應力

圖9 下箱的應力

4.變速箱的結果分析與優化

根據結果可知，最小位移、應變和應力分別為0mm，3.14015e-007和0.0191906MPa，最大值為0.2631825497mm、0.00271047和69.149MPa。原變速箱的材質為鑄鐵，極限應力為250MPa。由此我們可以看出變速箱的設計是保守的。為減輕變速箱的重量，有很多種優化方法，但適用于建筑機械變速箱的優化常常有三種方法。第一個是將厚度從30mm減小到20mm。第二個是將板的高度從120mm降低到60mm.第三個是將材料從鑄鐵變成鋁。通過上述步驟和方法計算優化變速箱的位移、應變和應力。計算結果變化不大，因此優化的變速箱滿足強度要求和工作條件。

5.結論

在結構優化后，變速箱重量下降5kg，材料重量下降13kg。優化變速箱的應力遠遠小于鋁的極限應力，并且變形也微小尺寸內。該箱體是基于原箱體進行了優化，在一些薄弱部位進行加筋。因此，它的剛度足夠，并通過計算結果得到了驗證。

[1]T．B．Sun and B．J． Liu: Design Box Optimization System of YND100 Series Decelerator Based on APDL and VC++6．0, Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, Vol． 31 (2012), pp．987-990．

[2]趙麗娟,劉紅梅:基于ANSYS的礦用變速箱優化機械傳動．2007, 31: 49-51, 57．

[3]J．Brown:Future Gear Pack More Power，Power Transmission Design,3(2010),pp．38-41．

[4]閻昌琪, 鄭靜,王建軍：雙分支傳動兩級齒輪減速器的優化設計，哈爾濱工程大學學報,2011,32: 884-889．

[5]楊繼宏,王宇,吳洋:基于Pro/E和ANSYS的模型數據轉換研究,制造自動化,2011,33:119-122．

(責任編輯 李田田)

Optimization of Construction Machinery Gearbox Based on the Pro/E and ANSYS

Zhang Zhongfei, Luo Guofu, Liu Geng, Wu Dayuan
（School of Mechanical and Electrical Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, He’nan, 450002）

In this paper, based on Pro/E, it creates the physical model of construction machinery gearbox, besides, the entity model imports t he ANSYS software by using the IGES format and uses the finite element method to calculate the displacement, strain and stress of the upper cover an d bottom box. According to the calculation results, the weight of the gearbox, which gets the optimization of its structure and materials, is reduced by 18kg. The results show that the strength and stiffness of the gearbox do not have big changes.

：construction machinery；gearbox；Pro/E；ANSYS；optimization

T

A

張中飛（1988～），男，鄭州輕工業學院 機電工程學院；研究方向：結構優化，復雜產品的云制造平臺關鍵技術研究。