基于SolidWorks的行星架有限元分析及優化設計

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化設計

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。其結構設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。結構合理的行星架應當具備重量輕、剛性好、便于加工和裝配的特點。但基于傳統力學方法所設計的行星架往往安全系數太高,導致其結構笨重。本文采用SolidWorks軟件對行星架進行三維建模和有限元分析,并對其結構進行了優化設計,獲得了重量更輕、同時滿足強度和剛度要求的行星架結構參數。

1 建立三維模型

某行星架結構如圖1所示,該行星架為雙壁整體式結構,共具有6個行星輪軸孔,左右壁通過連接板相連,左右側圓柱面為軸承位,右邊套筒內制出鍵槽,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,質量為26.94kg。利用SolidWorks基于特征的參數化造型功能可建立該行星架的精確模型。

圖1 行星架結構簡圖

2 有限元網格劃分

在SolidWorks的Simulation模塊下劃分行星架的有限元網格。為保證有限元分析的精確度,選擇較高的網格品質,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合處等易產生較大應力的部位具有較大的網格密度,而其余部位的網格密度相對較小,這樣可有效提高分析精度并控制計算規模。所形成的行星架有限元模型如圖2所示,共有70893個節點,44530個單元。

圖2 行星架有限元網格模型

3 載荷及邊界條件

該行星減速器基本工作參數:輸入轉速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,據此取載荷不均勻系數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。

根據行星架安裝及運轉方式,在左右側外圍柱面施加“軸承支撐”的邊界條件。為防止可能導致結果奇異的旋轉不穩定性,應將“穩定軸旋轉”項設置為有效。

對右邊套筒內的鍵槽一側工作平面施加“固定”約束。

4 有限元分析

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

由圖3可知,行星架的最大應力發生行星輪軸孔上,為23.77MPa,左壁與連接板內圈的結合處應力也較大,為20MPa左右。

由圖4可知,行星架因扭矩作用,右壁相對于左壁產生了一個微小轉角,最大位移發生在右壁邊緣。行星架的應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果是可信的。但其最大應力遠遠小于屈服強度,安全系數,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,有必要對其進行優化設計,從而在保證安全的基礎上減輕結構重量。

圖3 行星架應力云圖(變形比例1500)

圖4 行星架位移云圖(變形比例1500)

5 行星架的優化設計

采用Simulation集成的優化功能進行行星架的優化設計。優化設計目標函數為行星架的質量最輕。設計變量則選擇對行星架的質量和應力水平有重大影響的結構參數,但行星架的動力輸入輸出部分不應改動,以避免整個行星減速器的結構產生巨大變化。

依據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、連接板內徑x3,作為設計變量(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化失敗。分別以強度和剛度作為約束條件,取安全系數為3.5,則行星架應力上限為340/3.5=97.14MPa。位移上限取0.1mm。經過15次迭代以后,成功找到最優解。為便于制造,應對優化結果進行圓整,相關數據列于表1中。

表1 行星架優化前后相關數據對比

由表1可知,與優化前相比,行星架左右壁厚及連接板內徑均大幅減小,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進行有限元分析,可知最大應力由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,說明行星架的強度和剛度更加合理。行星架的質量由26.94kg下降到19.95kg。比優化前減輕了25.95%,說明優化對減輕行星架質量、節約材料的效果明顯。

6 結語

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

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

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