基于ANSYS的齿轮箱油底壳有限元建模和结构优化.pdf

第31卷第3期
哈尔滨轴承
Vo.31 No.3
2010年9月
JOURNAL OF HARBIN BEARING
2010
基于 ANSYS的齿轮箱油底壳有
限元建模和结构优化
王希贵1王兴刚2
(1.中国船舶重工集团第703研究所哈尔滨1500362.空军驻哈尔滨轴承厂车事代表室哈尔滨150036
摘要:介绍了有限元分析流程和优化计算流程,讨论了建模中应注意的几个问题,并以某船用齿轮箱油底壳为
研究对象,在 ANSYS中建立以売单元为基本单元的油底売有限元分析模型,分析了该油底売的前10阶固有频率,
并以第一阶自然频率为目标,对油底壳模型进行外形优化
关键词:有限元;齿轮箱;油底売;模态分祈;化
中图分类号:TH13241
文献标识码:B
文章编号:1672-4852(2010)03-047-03
Building FEM model and structural optimization for oil pan on ANSYS
Wang Xigui, Wang Xinggang
(1.703 Research of Institute, Harbin 150036, China 2. Department of Military Affairs Representation, Air Force Stationed Harbin
Bearing Factory, Harbin 150036, China)
Abtract: This paper introduces the inite element analysis method of the ANSYS software, discusses several key points in
the buildings of FEM modering, sets up the analysis model of oil pan by taking shell unit as basic unit analysis the
former ten natural frequeneies of the oil pan. Based on this model, the first natural frequency is set as the goal, and oil
pan is optimized by shape optimization
Keywords: FEM; gear box; oil pan; modal analysis; optimization
前
研究分析结构特点
在齿轮箱的诸多零部件中,油底売的面积大
且由薄钢板制成,在激振力作用下会产生比较大
的振动,故降低油底壳的振动和噪声是降低内燃
(形成物理模型)(用APL编制程序
机辐射噪声和总体噪声的重要环节リ。本文以某船
用齿轮箱油底売为研究对象,利用建立以三.角形
(形成有限元网络计算模型
壳单元和四边形壳单元为基本单元的油底売有限
引人载荷及边界条件
元分析模型,分析了该船用齿轮箱油底壳的前10
阶固有频率及振型,然后对去筋后的油底壳进行
(计算结果后处理
外形优化设计
结构方案
2有限元建模
输出结果
建立油底壳有限元模型的建模流程如图1所示。
图1有限元建模流程
对于油底売的建模主要分为3步。
2.1油底売几何模型的导入、重构及修整
收稿日期:2010-06-15.
采用PRO/E建立油底壳儿何模型如图2所
作者简介:王希贵(1972-),男,高级工程师
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尔滨轴承
第31卷
示,并利用 ANSYS提供的PRO/F接口,将油底
油底壳有限元模型的自由模态分析
壳的几何模型导入 ANSYS中。由于油底壳属薄
壁零件,导人的PRO/E模型需要利用几何面板中
利用模块对油底壳的有限元模型进行自由模
的功能对其进行中面的抽取,抽取的中面存在缝态计算,得到的油底壳前10阶問有频率及振形描
隙、重叠、错位等缺陷,需要利用几何清理功能消述见表1,其振形图略
除以合并自有边,然后消除不必要的细节,这可以
表1油底売前10阶固有频率及振形
提高整个划分网格的速度和质量,減少计算误差叫。阶数固有频率Hz
振形描述
84.8
阶扭
178.h
两侧板向内一阶弯
两侧板向外一-阶弯曲
两侧板向外-阶弯曲
238.7
底板一阶弯曲
263.1
两侧板和底板向外一阶弯曲
后板向外一阶弯曲
319.4侧板二阶弯曲间时后板向外一阶弯曲
321.2侧板二阶弯曲同时后板向内一阶弯曲
图2油底壳的几儿何模型
油底壳的结构优化
2.2油底壳几何模型的网格划分
结构优化可以用来设计薄壁结构的强化压痕
几何清理工作做完以后,就可以进行网格的以满足强度、频率等要求,但结构优化对体积函数
划分。利用 ANSYS中Mesh的功能,定义单元类
不敏感,因此一般不把体积函数作为目标函数或
型为Shel单元,单元为3节点和4节点单元的
约束函数。设计优化步骤只需定义一个或多个设
混合体单元,但是在划分中以4节点单元为主,-
计区域的最大深度,同时考虑到加工.工艺性。
般3节点单元占总单元的比例不超过6.5%。为了
4.1有限元模型的重建
在优化过程中网格能够得到更精确分布,定义单
元大小为0.8~2.5,共产生:65916个节点和
对油底壳进行结构优化首先需要对油底壳的
有限元模型进行去筋处理,然后将去筋的油底壳
66267个单元如图3所示。3为油底売的有限
元模型
模型按照前文所述的方法重新建立有限元模型。
4.2定义设计变量、优化目标、约束函数
将去筋油底壳有限元模型分为8个区域,并
将其中6个区域定义为设计变量,包括底板、側板
(2个)、后板。考虑到一阶振型主要由于与机体连
接的边沿造成,因此第一阶频率优化空间很小,在
优化过程中将其最大化定义优化目标。本文对油
底壳结构优化的主要目的在于提高第二阶、第十
阶固有频,而在具体操作的过程中将对应固有
频率的1.2倍作为优化的约東函数,另外本文将
油底壳体积提高1.5%作为体积约束函数。
图3油底壳的有限元模型
4.3优化结果
2.3有限元模型单元的质量检查
经过13次迭代计算后结果收敛,可以看出多
网格划分完后须进行单元质量检查,ANSY
数筋宽都有所増加,尤其以前侧板与后板筋宽最
软件可自动找出错误单元和质量差的单元,并大,而底板和侧板的筋宽基本相同
检查出的不合格单元提供了强大的质量修复功
结论
能。这些单元在计算和优化时会产生错误,使计算
或程序不能继续或得出错误结果
从优化结果来看,油底壳的第二阶到第九阶固