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基于COSMOSWORKS的行星齿轮架有限元分析

发布于:2019-09-24 19:31
有限元分析

      传统强度计算方法只能求解形状规范,载荷和约束简单的零部件,对受力复杂的零部件则需要用有限元分析方法。目前商品化的有限元分析App已经有了很大发展,其中应用比较广泛的有ANSYS和NASTRAN它们在功能分析和求解运算上都能很好地满足零部件有限元分析要求,而且经过不断的技术更新,在建模手段上也有了较大的提高。然而,由于有限元分析本身具有专业性强和建模复杂繁琐的特点,即使是使用目前最先进的有限元分析App进行大型复杂结构的有限元分析,无论在硬件还是人员上的投入都比较大。而SolidWorks的COSMOSWorks则可以让设计人员在中小型计算机上轻松完成有限元分析计算,实现对零部件快速简便的功能分析。
      COSMOS是SRAC企业推出的一套功能强大,操作方便的有限元分析App。其中COSMOSWorks是COSMOS的一个非常重要的模块,能够进行静力分析、频率分析、热分析和优化设计。更加难能可贵的是COSMOSWorks与SolidWorks无缝集成,可以在SolidWorks环境下进行有限元分析,计算结果可直观地显示在SolidWorks界面下的三维模型上。另外,COMOSWorks采用FFE(fast finite element)快速有限元算法技术,极大地提高有限元分析速度。COMOSWorks还能进行复杂的装配分析,使分析更好地模拟实际情况,得到的分析结果更准确。
      该行星齿轮架应用于某产品减速器上。最初模型方案如图,其中1处安装太阳轮,2处周边安装4个行星轮,大小轴承分别安装在3,4处。工作时电机的力矩通过太阳轮和行星轮传递给套在大小轴承上的行星齿圈上,最后传递到工作机构。通过分析该零件的工作状态和受力情况,在COMOSWorks中约束与受力可以抽象为图所示。齿轮架最大外圈为固定约束,齿轮架通过止口螺栓与减速器壳体相连;在安装轴承处受到向下和向后的2个压力;小轴承对齿轮架产生1个轴向压力;在安装4个行星齿轮处,受到轴的压力。
      COMOSWorks提供了4种网格划分算法:实体网格、混合网格、使用中面的外壳网格和使用曲面的外壳网格,不必像其他CAEApp那样做复杂的转换和前后置处理。三维模型建成后,就可根据情况自动划分网格的形状及大小,也可由使用者根据需要自行调节网格大小。单元格越小,划分得就越精细,网格数也越多,计算量就越大。一般情况下采用默认的网格划分,其结果和精度还是可以接受的。为了使离散模型更加精细,计算结果合理可靠,对受力复杂的部位由人工干预,使用COMOSWorks提供的网格控制,设定元素大小为24 mm、比例为1:20将行星齿轮架共划分为90676个单元格,节点数为1391850划分网格后的行星齿轮架有限元离散模型如图所示。
      在COMOSWorks中,对有限单元进行分析,问题由1组同时求解的代数方程式来表示,有直接和迭代等2类求解方法。直接方法使用精确的数字方法求解方程式;迭代方法使用近似方法来求解方程式,在每次迭代中,都会求出1个解,并评估关联的误差。迭代过程一直持续,直到误差可以接受为止。COMOSWorksApp提供选择Direct Spars和FFE等解算器。COMOSWorks会基于算例类型、分析选项、接触条件等内容选择解算器。本文选用FFE解算器进行静力分析,并根据行星齿轮架在基本载荷工况下的应力图可知最大应力出现在壳体内部可达952.7 MPa超出了所选材料的强度。


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