高速齿轮箱体的有限元分析及结构优化设计

• 作 者: 岗海明
• 出 处: 机械科学研究总院
• 发表日期: 2016年01期
• 关键词: 有限元法 静态分析 动态分析 多目标优化

齿轮箱作为机械设备中一种应用广泛的能量传递装置,其设计水平的高低在一定程度上反映了一个国家的综合国力和工业技术水平。随着科学技术的飞速发展,人们对齿轮箱在高转速、大功率、轻量化、振动小、噪声低等方面提出了更高的要求。而对于离心压缩机组上的高速齿轮箱而言,由于其转速高,工作环境复杂等特点,使箱体在支撑、定位齿轮传动的同时,还承受齿轮啮合冲击传来的振动。箱体作为齿轮传动系统中重要的基础零件,其性能直接影响着齿轮系统的稳定,因此使得对齿轮箱体的动、静性能研究变得额外重要。本文以某离心压缩机组专用高速增速齿轮箱为研究对象,以有限元分析方法为基础,对该齿轮箱体进行动静态特性分析,并从计算结果的分析评估中,找出初始设计的薄弱环节,然后利用结构设计中的目标优化法对其进行结构优化改进。相关研究的主要内容有：(1)根据高速齿轮箱体的结构特点,在三维造型软件SolidWorks中分别对箱体的上、中、下三个箱件进行简化模型的建立,并完成总体装配。(2)利用CAD与CAE无缝对接功能,将齿轮箱体简化模型导入至ANSYS中,完成箱体结构有限元模型的建立。通过对齿轮箱体在额定工况下的受力分析计算,完成有限元模型的载荷加载和边界条件设定,可从齿轮箱体的静态特性分析结果,获知箱体结构的最大变形量和极限等效应力。(3)对高速齿轮箱体进行模态分析,并提取分析结果中前十阶模态频率及相应振型,然后通过对比该齿轮箱中各传动齿轮的转动频率和啮合频率,评估原有设计动态性能的可靠性,并从中找出引起箱体整体振动的主要因素和作用部位。(4)以高速齿轮箱体的静动态特性分析结果为基础,选定设计目标,利用ANSYS的优化设计模块,筛选出七个设计变量。通过多目标设计理论,平衡多目标之间的相互关系,在箱体整体刚度和强度的许可约束下,完成齿轮箱体的多目标结构优化设计。(5)通过对比齿轮箱体优化前后的静动态性能,发现结构优化设计后齿轮箱整体性能得到了大幅提升,箱体质量减少了152.4 kg,最大变形量减少了22.8%,箱体低阶频率也得到了提升。由优化前后的性能对比结果,进一步验证了多目标结构优化设计方案的可行性。