基于Pro/E和ANSYS的建筑机械变速箱的优化

＊张中飞 罗国富 刘庚 吴达远

（郑州轻工业学院 机电工程学院 河南 450002）

基于Pro/E和ANSYS的建筑机械变速箱的优化

＊张中飞 罗国富 刘庚 吴达远

（郑州轻工业学院 机电工程学院 河南 450002）

本文基于Pro/E创建建筑机械变速箱的实体模型。实体模型使用IGES格式导入ANSYS软件。采用有限元法计算箱体上盖、下箱的位移，应变和应力。根据计算结果，变速箱在结构和材料经过优化后，箱体的重量减少了18kg。计算结果表明，优化后变速箱的强度和刚度变化不大。

建筑机械；变速箱；Pro/E；ANSYS；优化

1.引言

齿轮减速机是建筑机械的进口传动机构。很长时间以来，工程机械减速机设计都基于传统设计方法。首先，设计师寻找相关文件和设计数据，比较设计的减速器和现有的减速机，然后结合设计经验给出设计方案，并检查其组件。

变速箱是齿轮减速机中最复杂的部件。变速箱的载荷很复杂，包括弯曲应力和扭转应力。如果变速箱的强度很低，它就不能够承受适当的载荷。传统的设计方法通常使用较大的安全系数，导致变速箱的重量很重、体积很大，浪费了很多材料。因此它是很必要用现代的设计方法去优化变速箱。现在有很多优化方法; 变速箱结构优化是最佳的优化方法。为了优化它的结构，应该找出和分析其强度最低的部位。因此，使用了ANSYS软件常常用来分析变速箱的应力，然后根据ANSYS的分析结果提出相应的优化方法。

2.变速箱模型分析

我们知道，建筑机械的变速箱实体模型很复杂，可以用ANSYS软件来创建，但非常困难。复杂的组件通常由其他3D软件来创建，比如Pro/E。变速箱的实体模型由Pro/E来创建，简化如下。上盖与下箱，通过螺栓连接进行固定，保证没有相对滑动。因此，上盖和下箱的实体模型分别独立创建。当模型导入到ANSYS软件中时，为了防止实体部分的丢失一些结构，有些结构将被忽视，比如螺丝，垫片等。实体模型,下箱如图1和上盖如图2所示。

图1 下箱

图2 上盖

实体模型在创建完成后应导入到ANSYS软件中。有两种方法通常被用于在Pro/E和ANSYS之间进行数据交换。一个是IGES，另一个是在ANSYS软件中的数据更改界面。 变速箱模型通过接口引入ANSYS，其Analysis分析模型如图3。

图3 Analysis分析模型

3.计算与分析

(1)变速箱模型网格划分

根据相关要求，计算解决方案为等级6.根据变速箱的结构，使用ANSYS软件工具划分网格。其中有184692个节点和98738个节点，如图4所示。

图4 模型的网格划分

图5 变速箱的约束

(2)加载与约束

变速箱的三边通过三个M16螺栓固定在传动板上。约束和固定位置如图5所示。输入轴的输入转矩根据功率计算。根据力学模型，计算出输入轴齿轮的反作用力，然后计算承载力。采用相同的方法计算出中轴和输出轴的反作用力。

(3)计算结果

根据载荷和约束条件，得到其应变和应力，如图6、图7、图8、图9。

图6 变速箱的位移

图7 上盖的应力

图8 上盖的应力

图9 下箱的应力

4.变速箱的结果分析与优化

根据结果可知，最小位移、应变和应力分别为0mm，3.14015e-007和0.0191906MPa，最大值为0.2631825497mm、0.00271047和69.149MPa。原变速箱的材质为铸铁，极限应力为250MPa。由此我们可以看出变速箱的设计是保守的。为减轻变速箱的重量，有很多种优化方法，但适用于建筑机械变速箱的优化常常有三种方法。第一个是将厚度从30mm减小到20mm。第二个是将板的高度从120mm降低到60mm.第三个是将材料从铸铁变成铝。通过上述步骤和方法计算优化变速箱的位移、应变和应力。计算结果变化不大，因此优化的变速箱满足强度要求和工作条件。

5.结论

在结构优化后，变速箱重量下降5kg，材料重量下降13kg。优化变速箱的应力远远小于铝的极限应力，并且变形也微小尺寸内。该箱体是基于原箱体进行了优化，在一些薄弱部位进行加筋。因此，它的刚度足够，并通过计算结果得到了验证。

[1]T．B．Sun and B．J． Liu: Design Box Optimization System of YND100 Series Decelerator Based on APDL and VC++6．0, Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, Vol． 31 (2012), pp．987-990．

[2]赵丽娟,刘红梅:基于ANSYS的矿用变速箱优化机械传动．2007, 31: 49-51, 57．

[3]J．Brown:Future Gear Pack More Power，Power Transmission Design,3(2010),pp．38-41．

[4]阎昌琪, 郑静,王建军：双分支传动两级齿轮减速器的优化设计，哈尔滨工程大学学报,2011,32: 884-889．

[5]杨继宏,王宇,吴洋:基于Pro/E和ANSYS的模型数据转换研究,制造自动化,2011,33:119-122．

(责任编辑 李田田)

Optimization of Construction Machinery Gearbox Based on the Pro/E and ANSYS

Zhang Zhongfei, Luo Guofu, Liu Geng, Wu Dayuan
（School of Mechanical and Electrical Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, He’nan, 450002）

In this paper, based on Pro/E, it creates the physical model of construction machinery gearbox, besides, the entity model imports t he ANSYS software by using the IGES format and uses the finite element method to calculate the displacement, strain and stress of the upper cover an d bottom box. According to the calculation results, the weight of the gearbox, which gets the optimization of its structure and materials, is reduced by 18kg. The results show that the strength and stiffness of the gearbox do not have big changes.

：construction machinery；gearbox；Pro/E；ANSYS；optimization

T

A

张中飞（1988～），男，郑州轻工业学院 机电工程学院；研究方向：结构优化，复杂产品的云制造平台关键技术研究。