基于ANSYS的齿轮箱油底壳有限元建模和结构优化

王希贵 王兴刚

（1.中国船舶重工集团第703研究所哈尔滨150036 2.空军驻哈尔滨轴承厂军事代表室哈尔滨150036）

1 前言

在齿轮箱的诸多零部件中，油底壳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机辐射噪声和总体噪声的重要环节[1]。本文以某船用齿轮箱油底壳为研究对象，利用建立以三角形壳单元和四边形壳单元为基本单元的油底壳有限元分析模型，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外形优化设计。

2 有限元建模

建立油底壳有限元模型的建模流程如图1所示。对于油底壳的建模主要分为3步。

2.1 油底壳几何模型的导入、重构及修整

采用PRO/E建立油底壳几何模型如图2所示，并利用ANSYS提供的PRO/E接口，将油底壳的几何模型导入ANSYS中。由于油底壳属薄壁零件，导入的PRO/E模型需要利用几何面板中的功能对其进行中面的抽取，抽取的中面存在缝隙、重叠、错位等缺陷，需要利用几何清理功能消除以合并自有边，然后消除不必要的细节，这可以提高整个划分网格的速度和质量，减少计算误差[2]。

2.2 油底壳几何模型的网格划分

几何清理工作做完以后，就可以进行网格的划分。利用ANSYS中Mesh的功能，定义单元类型为Shell单元，单元为3节点和4节点单元的混合体单元，但是在划分中以4节点单元为主，一般3节点单元占总单元的比例不超过6.5%。为了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66267个单元如图3所示。图3为油底壳的有限元模型。

2.3 有限元模型单元的质量检查

网格划分完后须进行单元质量检查，ANSYS软件可自动找出错误单元和质量差的单元，并对检查出的不合格单元提供了强大的质量修复功能。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。

3 油底壳有限元模型的自由模态分析

利用模块对油底壳的有限元模型进行自由模态计算，得到的油底壳前10阶固有频率及振形描述见表1，其振形图略。

4 油底壳的结构优化

结构优化可以用来设计薄壁结构的强化压痕以满足强度、频率等要求，但结构优化对体积函数不敏感，因此一般不把体积函数作为目标函数或约束函数。设计优化步骤只需定义一个或多个设计区域的最大深度，同时考虑到加工工艺性。

4.1 有限元模型的重建

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、侧板(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～第十阶固有频率，而在具体操作的过程中将对应固有频率的1.2倍作为优化的约束函数，另外本文将油底壳体积提高1.5%作为体积约束函数[3]。

4.3 优化结果

经过13次迭代计算后结果收敛，可以看出多数筋宽都有所增加，尤其以前侧板与后板筋宽最大，而底板和侧板的筋宽基本相同。

5 结论

从优化结果来看，油底壳的第二阶到第九阶固有频率都有不同程度的提高，平均提高20%以上，而体积只增加了1%，达到了很好的优化效果。

本文用ANSYS软件的结构优化功能实现了对油底壳加强筋的重新布局，使其固有频率有了很大的提高，结果说明了不同加强筋的布置对于薄壁件固有频率影响是非常明显的。结构优化在齿轮箱油底壳中的应用，即节省了设计的时间，又提高了优化的效果，并且给其他薄壁件的结构优化设计提供了方法上的借鉴。

[1]舒歌群，李小倩，梁兴雨.基于有限元的齿轮箱油底壳加强板的振动分析与结构控制[J].小型内燃机与摩托车，2006,(3)：48～50.

[2]李皓月，周田明，刘相新.ANSYS工程计算应用教程[M].北京：中国铁道出版社，2005.

[3]周传月，腾万秀，张俊堂.工程有限元与优化分析应用实例[M].北京：科学出版社，2005.