减速器输入轴结构静力学分析及优化设计(附件)【字数：10545】
摘 要输入轴的功能是连接减速器和电机，其主要作用是减速和传递扭矩。输入轴的合理设计对于保证生产效能及人员安全具有重要的意义。利用有限元软件HyperMesh对输入轴进行应力变形仿真模拟，对轴的模型进行划分网格,建立合适的边界条件，计算得到轴的应力应变云图，分析轴结构的不合理之处，并据此对轴的结构进行优化。通过增加输入轴伸出端部分的轴径大小和增加轴台阶设计，优化后输入轴的应力分布情况够明显改善。对比数据，优化后的输入轴既改变了应力集中的位置，输入轴的最大形变量降低了13%，最大应力降低了17%，达到了零件结构优化设计的目的。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 课题背景与意义 1
1.2 有限元分析方法的概念 1
1.3 有限元分析方法的优势 2
1.4 课题研究内容与目标 2
第二章 零件建模过程 3
2.1 UG NX软件的概述 3
2.2 零件的的建模 3
第三章 有限元分析 7
3.1 HyperMesh软件的概述 7
3.2 材料力学的基本假设 7
3.3 有限元分析模型建立 7
3.3.1 减速器输入轴的网格划分 8
3.3.2 参数设置 11
3.3.3 边界条件 11
第四章 计算结果分析与优化 16
4.1 应力与变形分析 16
4.2 优化设计 18
第五章 总 结 20
致 谢 21
参考文献 22
第一章 绪 论
1.1 课题背景与意义
减速器工作于原动机和工作机之间，是一种独立的封闭式传动装置，通常用于增大转矩、减小转速，在现代机械中应用极为广泛。减速器常见故障包括高温、噪音、振动、漏油、断轴等，其中断轴的危害性最为剧烈，如煤矿井下开采输送机减速器发生断轴会影响煤矿生产甚至导致恶性事故[14]。断轴的断面整齐且垂直于轴线，常发生在应力集中处，即输入轴处。从减速器的设计、制造过程分析断轴的原因一般有，减速器设计缺陷、液力耦合器反装、保养不到位等，其 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
中减速器设计缺陷为主要原因，故针对减速器输入轴的应力与形变分析，后优化减速的结构设计以避免断轴现象的发生，具有极高的社会和经济意义。为测试设计的零件是否满足使用力学性能要求，本文采用有限元的方法对减速器的输入轴进行结构静力学分析。
随着20世纪50年代高速数字计算机的蓬勃发展，有限元法分析方法逐渐发展起来，可以说是计算机时代的产物。借助有限元分析技术，可以在软件里模拟产品的结构或结构设计的合理性，从而大大地提高效率，更重要的是与实际的生产活动联系起来，有种身临其境的感触。对于脱离实际生产的在校生或者在职人员，具有非常重要的指导意义。
1.2 有限元分析方法的概念
有限元分析方法（Finite Element Method简称FEM）把所考虑问题的区域模块划分成若干个单元和网格。建模机械结构的动力学模型可采用解析建模、试验建模及两者的混合建模方法建立。Cameiro等[5]完成了弯管处的有限元模态分析，对比模拟模态和实验结果模态发现两者结果相吻合，证明了有限元分析可用于预测结构特性，及优化结构设计。为充分发挥有限元理论分析模型的优势,可以动态子结构法为基础，将试验模态的分析结果作为参照检验并修改有限元模型,建立研究对象的混合动力学模型。采用试验模态分析修改有限元模型,建立结构系统合理的动力学模型。使其更符合机械结构的实际边界条件。J.O.Hallquist等[6]最先依据罚函数原理以及有限元理论研究分析了减速器传动接触问题。Vijayarangan等[7]利用有限元法分析了减速器中齿轮啮合过程的接触应力分布，并探讨了不同摩擦系数对应力分布的影响。李珊珊等[8]应用有限元分析软件计算模拟了减速器的静态接触应力云图。西安交通大学的张波等[9]在ANSYS环境中建立了机床阶梯轴部件的有限元动力模型，并计算了阶梯轴部件的静、动态特性，后完成了该部件的动态优化设计。武汉理工大学的陈龙[10]等人利用ANSYS中有限元法为基础，对各类轴进行了分析与优化设计。沈阳建筑大学的陈士忠[11]等人利用Solidworks绘制钢筋调直机双槽辊输入轴的三维图并导入Ansys Workbench中进行有限元分析，发现双槽辊输入轴的轴肩处应力最大。
1.3 有限元分析方法的优势
近些年，国内外相关学者对减速器进行了一系列静态分析。Kahraman[12]通过建立集中参数扭转模型分析了行星齿轮扭转振动的特点。孙涛等[13]基于谐波平衡法计算得到减速器传动系统的非线性频率响应特性。随着计算的快速发展，有限元法作为一种高效的数值分析方法[14]，逐渐取代传统理论计算方法应用于结构工程静力学分析领域。有限元是将连续系统进行网格划分，并对划分后的每个单元进行批量的分析计算，得到原连续系统的近似解，即建立相应的数值模型。后基于所建立的数值模型进行优化设计参数，迭代计算得到理论最优方案。由于减速器结构中的几何机构比较复杂，单纯的理论分析难以准确计算其内部及输出轴的受力分布，而有限元软件中的多种求解器能够快速准确地对不同运行工况的减速器进行静态分析。此外，有限元分析方法的主要优点表现在以下几个方面：
可使企业较大程度地降低设计研发成产制造成本；
增加新产品的性能和可靠性；
采用优化设计，降低材料的用量，从而减少成本；
能够使得工程师在产品投入生产前预先发现内在隐藏的问题。
1.4 课题研究内容与目标
研究减速器输入轴轴断的起因，并以此为着眼点，寻找避免减速器轴断的方法。现有研究成果表明，输入轴轴断主要因为减速器的结构设计不合理导致输入轴上的应力分布过于集中，在机械大型化的今天，极容易导致工业关停甚至事故的引发。有限元是计算机高速发展所得产物，它将大型计算对象进行网格划分，并对划分后的每个单元进行批量的分析计算，得到对象的近似解，即建立相应的数值模型。然后基于所建立的数值模型进行优化设计参数，迭代计算得到理论最优方案。有限元法已成功被广泛应用于机械结构设计及优化，故可将有限元法用于模拟计算减速器输入轴的应力分布及分析轴发生的形变，并根据计算结果优化减速器的结构设计。研究内容也可简化为如下：
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 课题背景与意义 1
1.2 有限元分析方法的概念 1
1.3 有限元分析方法的优势 2
1.4 课题研究内容与目标 2
第二章 零件建模过程 3
2.1 UG NX软件的概述 3
2.2 零件的的建模 3
第三章 有限元分析 7
3.1 HyperMesh软件的概述 7
3.2 材料力学的基本假设 7
3.3 有限元分析模型建立 7
3.3.1 减速器输入轴的网格划分 8
3.3.2 参数设置 11
3.3.3 边界条件 11
第四章 计算结果分析与优化 16
4.1 应力与变形分析 16
4.2 优化设计 18
第五章 总 结 20
致 谢 21
参考文献 22
第一章 绪 论
1.1 课题背景与意义
减速器工作于原动机和工作机之间，是一种独立的封闭式传动装置，通常用于增大转矩、减小转速，在现代机械中应用极为广泛。减速器常见故障包括高温、噪音、振动、漏油、断轴等，其中断轴的危害性最为剧烈，如煤矿井下开采输送机减速器发生断轴会影响煤矿生产甚至导致恶性事故[14]。断轴的断面整齐且垂直于轴线，常发生在应力集中处，即输入轴处。从减速器的设计、制造过程分析断轴的原因一般有，减速器设计缺陷、液力耦合器反装、保养不到位等，其 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
中减速器设计缺陷为主要原因，故针对减速器输入轴的应力与形变分析，后优化减速的结构设计以避免断轴现象的发生，具有极高的社会和经济意义。为测试设计的零件是否满足使用力学性能要求，本文采用有限元的方法对减速器的输入轴进行结构静力学分析。
随着20世纪50年代高速数字计算机的蓬勃发展，有限元法分析方法逐渐发展起来，可以说是计算机时代的产物。借助有限元分析技术，可以在软件里模拟产品的结构或结构设计的合理性，从而大大地提高效率，更重要的是与实际的生产活动联系起来，有种身临其境的感触。对于脱离实际生产的在校生或者在职人员，具有非常重要的指导意义。
1.2 有限元分析方法的概念
有限元分析方法（Finite Element Method简称FEM）把所考虑问题的区域模块划分成若干个单元和网格。建模机械结构的动力学模型可采用解析建模、试验建模及两者的混合建模方法建立。Cameiro等[5]完成了弯管处的有限元模态分析，对比模拟模态和实验结果模态发现两者结果相吻合，证明了有限元分析可用于预测结构特性，及优化结构设计。为充分发挥有限元理论分析模型的优势,可以动态子结构法为基础，将试验模态的分析结果作为参照检验并修改有限元模型,建立研究对象的混合动力学模型。采用试验模态分析修改有限元模型,建立结构系统合理的动力学模型。使其更符合机械结构的实际边界条件。J.O.Hallquist等[6]最先依据罚函数原理以及有限元理论研究分析了减速器传动接触问题。Vijayarangan等[7]利用有限元法分析了减速器中齿轮啮合过程的接触应力分布，并探讨了不同摩擦系数对应力分布的影响。李珊珊等[8]应用有限元分析软件计算模拟了减速器的静态接触应力云图。西安交通大学的张波等[9]在ANSYS环境中建立了机床阶梯轴部件的有限元动力模型，并计算了阶梯轴部件的静、动态特性，后完成了该部件的动态优化设计。武汉理工大学的陈龙[10]等人利用ANSYS中有限元法为基础，对各类轴进行了分析与优化设计。沈阳建筑大学的陈士忠[11]等人利用Solidworks绘制钢筋调直机双槽辊输入轴的三维图并导入Ansys Workbench中进行有限元分析，发现双槽辊输入轴的轴肩处应力最大。
1.3 有限元分析方法的优势
近些年，国内外相关学者对减速器进行了一系列静态分析。Kahraman[12]通过建立集中参数扭转模型分析了行星齿轮扭转振动的特点。孙涛等[13]基于谐波平衡法计算得到减速器传动系统的非线性频率响应特性。随着计算的快速发展，有限元法作为一种高效的数值分析方法[14]，逐渐取代传统理论计算方法应用于结构工程静力学分析领域。有限元是将连续系统进行网格划分，并对划分后的每个单元进行批量的分析计算，得到原连续系统的近似解，即建立相应的数值模型。后基于所建立的数值模型进行优化设计参数，迭代计算得到理论最优方案。由于减速器结构中的几何机构比较复杂，单纯的理论分析难以准确计算其内部及输出轴的受力分布，而有限元软件中的多种求解器能够快速准确地对不同运行工况的减速器进行静态分析。此外，有限元分析方法的主要优点表现在以下几个方面：
可使企业较大程度地降低设计研发成产制造成本；
增加新产品的性能和可靠性；
采用优化设计，降低材料的用量，从而减少成本；
能够使得工程师在产品投入生产前预先发现内在隐藏的问题。
1.4 课题研究内容与目标
研究减速器输入轴轴断的起因，并以此为着眼点，寻找避免减速器轴断的方法。现有研究成果表明，输入轴轴断主要因为减速器的结构设计不合理导致输入轴上的应力分布过于集中，在机械大型化的今天，极容易导致工业关停甚至事故的引发。有限元是计算机高速发展所得产物，它将大型计算对象进行网格划分，并对划分后的每个单元进行批量的分析计算，得到对象的近似解，即建立相应的数值模型。然后基于所建立的数值模型进行优化设计参数，迭代计算得到理论最优方案。有限元法已成功被广泛应用于机械结构设计及优化，故可将有限元法用于模拟计算减速器输入轴的应力分布及分析轴发生的形变，并根据计算结果优化减速器的结构设计。研究内容也可简化为如下：
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