第１期
２００８年１月
机械设计与制造
ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ一３ｌ一
文章编号：１００１—３９９７（２００８）０１—００３１—０２
大型齿轮箱结构分析与结构优化
粱醒培，王豪ｔ张锴锋２
（，河南工业大学，郑州４５００５２）（２沈阳航空工业学院，沈阳１１００３４）
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【摘要】对大型齿轮箱进行了有限元强度分析，然后以应力和位移为约束条件，以重量为目标函数，对齿轮箱进行了优化设计，取得了良好的优化效果，使重量减少了３７４６ｋｇ，比原设计减轻了２３，１８％。优化结果为齿轮箱的结构设计、减轻齿轮箱的重量提供了良好的参考依据。
关键词：齿轮箱；结构分析；结构优化
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｔｒｅｎｇｔｈａｎａｌｙｓｉｓｉｓｄｏｎｅｆｏｒｔｈｅｇｅａｒｂｏｘｗｉｔｈｌａｒｇｅｓｉｚｅ．ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎ
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中图分类号：ＴＨｌ３２，０２４２．２１文献标识码：Ａ
１引言
常见的齿轮箱大多为铸造装配体，且体型较小，对这类齿轮箱进行有限元分析时，一般用实体单元建立模型，如文献ｆ，】应用Ｐｒｏ—Ｅ软件建立了某车辆传动箱的实体模型，并用三维实体单元进行了强度计算与优化。大型齿轮箱是应用在海洋平台上的大型齿轮传动系统的一种箱型结构，整个齿轮箱宽：２７５０ｍｍ，高：４３７０ｍｍ，厚：１７４０ｍｍ，重量约１６吨。由于该齿轮箱体型很大，且为钢板焊接结构，板厚远小于齿轮箱的体型尺寸，因此，使用壳单元模拟比较合理。对于齿轮箱箱体上的轴承座宜用应用实体单元模拟。本文应用壳单元和实体单元相结合的方法建立了该齿轮箱参数化有限元模型，并使用ＡＮＳＹＳ程序的多点约束（ＭＰＣ）技术闭实现了壳单元与实体单元的连接。对此齿轮箱进行了有限元分析和刚度与强度评价，然后对此齿轮箱做了结构优化，取得了良好的优化效果。
２参数化有限元模型的建立
本文型齿轮箱是由不同厚度的钢板焊接而成的箱形结构，前后面板上开有８个圆孔，孔内为轴承座，４根齿轮轴穿过齿轮箱，轴的两端装有齿轮，一端的齿轮由电机带动，另一端的齿轮与齿条啮合。对于有限元模型，构成箱体的钢板采用壳单元，对轴承座采用实体单元。图ｌ为用于网格剖分的齿轮箱的几何模型，它是由钢板简化成的几何面和轴承座简化成的三维实体组成的，然后通过分割、粘贴、叠加等布尔运算操作来建立这些几何体之问的约束关系，为了建模的方便，更是为了优化设计的需要，采用了参数化建模方法，即将结构的关键尺寸以可以变化的参数形式给出。剖分后的有限元网格如图２所示。
在图２的有限元网格中有壳单元和三维实体单元，壳单元ｔ来稿日期：２００７－０３—２６的每个节点有６个自由度，实体单元的每个节点有３个自由度，根据结构实际受力变形情况，此处节点的转动自由度与实体单元的节点平动自由度之间有相互约束关系，这种约束关系一般可以采用约束方程来实现，每个节点需要建立３个约束方程，由于本文的模型较复杂，需要建立约束方程的节点多，这里采用多点约束方法（ＭＰＣ），即用接触算法来模拟实体与壳的耦合，这种方法能更好地模拟真实情况，而且使用比较简便，计算精度较高剐。
图１齿轮箱的三维几何模型图２齿轮箱有限元网格
齿轮箱是将底部焊接在甲板上，所以，将齿轮箱底面的节点处理为固定约束。
齿轮箱承受的载荷是齿轮轴通过轴承传递到轴承座上的力。当齿轮箱沿齿条爬升时，由４根齿轮轴的受力平衡条件求出轴上的作用力，然后将齿轮轴上与轴承座对应部位的作用力，按大小相等方向相反施加到轴承座上，力的作用范围按沿轴承座孔内表面在１２００范围内按余弦分布施加，见式（１）。
ｐｐ＝ｐ，ｃｏｓ争ｆｌ
万方数据