基于SolidWorks的行星架有限元分析及优化设计

2013-06-27 by:广州Solidworks培训中心来源:仿真在线

基于SolidWorks的行星架有限元分析及优化设计

0 引言

在NGW型行星传动中,行星架是承受外力矩最大的零件。其结构设计和制造对各个行星轮间的载荷分配以及传动装置的承载能力、噪声和振动等有很大影响。结构合理的行星架应当具备重量轻、刚性好、便于加工和装配的特点。但基于传统力学方法所设计的行星架往往安全系数太高,导致其结构笨重。本文采用SolidWorks软件对行星架进行三维建模和有限元分析,并对其结构进行了优化设计,获得了重量更轻、同时满足强度和刚度要求的行星架结构参数。

1 建立三维模型

某行星架结构如图1所示,该行星架为双壁整体式结构,共具有6个行星轮轴孔,左右壁通过连接板相连,左右侧圆柱面为轴承位,右边套筒内制出键槽,通过平键与输出轴相连而输出扭矩。行星架材料为ZG55,屈服强度为340MPa,质量为26.94kg。利用SolidWorks基于特征的参数化造型功能可建立该行星架的精确模型。

图1 行星架结构简图

2 有限元网格划分

在SolidWorks的Simulation模块下划分行星架的有限元网格。为保证有限元分析的精确度,选择较高的网格品质,并打开自动过渡功能,以使有限元模型在连接板与左右壁结合处等易产生较大应力的部位具有较大的网格密度,而其余部位的网格密度相对较小,这样可有效提高分析精度并控制计算规模。所形成的行星架有限元模型如图2所示,共有70893个节点,44530个单元。

图2 行星架有限元网格模型

3 载荷及边界条件

该行星减速器基本工作参数:输入转速na=1000r/min,输入功率Pi=67.6kW,传动比i=8.08。

则行星架输入扭矩

输出扭矩TH=Tai=5218.55Nm

输出扭矩由行星架左右壁上的6个行星轮轴孔承受的法向推力所产生,各孔中心的分布圆半径r=0.0945m。该行星减速器的均载方式为太阳轮浮动,据此取载荷不均匀系数Kc=1.15。则每个轴孔所承受的推力

将此推力按法向施加于各行星轮轴孔的半圆柱面上完成载荷的施加。

根据行星架安装及运转方式,在左右侧外围柱面施加“轴承支撑”的边界条件。为防止可能导致结果奇异的旋转不稳定性,应将“稳定轴旋转”项设置为有效。

对右边套筒内的键槽一侧工作平面施加“固定”约束。

4 有限元分析

为有限元模型赋予“铸造碳钢”材料后执行分析。图3为行星架的应力云图,图4为位移云图。

由图3可知,行星架的最大应力发生行星轮轴孔上,为23.77MPa,左壁与连接板内圈的结合处应力也较大,为20MPa左右。

由图4可知,行星架因扭矩作用,右壁相对于左壁产生了一个微小转角,最大位移发生在右壁边缘。行星架的应力和位移模式与参考描述基本一致,说明行星架有限元分析的结果是可信的。但其最大应力远远小于屈服强度,安全系数,na=340/23.77=14.30,最大位移也非常小,仅0.0012mm。可见该行星架的强度和刚度余量太大,有必要对其进行优化设计,从而在保证安全的基础上减轻结构重量。

图3 行星架应力云图(变形比例1500)

图4 行星架位移云图(变形比例1500)

5 行星架的优化设计

采用Simulation集成的优化功能进行行星架的优化设计。优化设计目标函数为行星架的质量最轻。设计变量则选择对行星架的质量和应力水平有重大影响的结构参数,但行星架的动力输入输出部分不应改动,以避免整个行星减速器的结构产生巨大变化。

依据上述原则本文选择左右壁厚度算x1、连接板与左右壁之间的铸造圆角半径x2、连接板内径x3,作为设计变量(各变量如图1所示)。各变量的取值范围:12≤x1≤36。3≤x2≤5,80≤x3≤120。需要注意的是各变量的取值需经多次试验.若采用SolidWorks默认的取值范围则有可能因模型几何条件错误而导致优化失败。分别以强度和刚度作为约束条件,取安全系数为3.5,则行星架应力上限为340/3.5=97.14MPa。位移上限取0.1mm。经过15次迭代以后,成功找到最优解。为便于制造,应对优化结果进行圆整,相关数据列于表1中。

表1 行星架优化前后相关数据对比

由表1可知,与优化前相比,行星架左右壁厚及连接板内径均大幅减小,连接板与左右壁之间的铸造圆角增大,用圆整后的行星架参数进行有限元分析,可知最大应力由23.77MPa上升到65.48MPa,最大位移由0.0012mm增大至O.0710mm,但二者均在安全范围以内,说明行星架的强度和刚度更加合理。行星架的质量由26.94kg下降到19.95kg。比优化前减轻了25.95%,说明优化对减轻行星架质量、节约材料的效果明显。

6 结语

(1)本文采用SoIidWorks的Simulation模块对行星架进行了有限元分析,结果表明最大应力远小于材料的屈服应力.说明初始设计的强度和刚度余量太大,存在材料浪费现象;

(2)在有限元分析的基础上,对行星架进行了优化设计,优化后的行星架强度和刚度趋于合理,整体质量减轻了25.95%,可大大降低原材料消耗及生产成本。

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