齿轮箱的参数优化设计

1规定设计变量及取值范围

根据齿轮箱体的静力学分析结果及结构特点选取设计变量，同时根据齿轮箱体材料的铸造性能和齿轮箱体结构的最小壁厚，在保证原结构的外形尺寸不变的条件下，确定各设计变量的取值范围。设计变量及取值范围如表1所示。1．3状态变量的确定齿轮箱体既是切割器传动布置的容器，也是整个切割器提升、夹紧的主要受力部分。齿轮箱体的刚性和强度直接关系到切割器的刚性。因此，主要考虑切割器的最大应力与变形。铸铁材料在强度范围内，变形一般不大。故选取齿轮箱体的最大应力为状态变量如表2所示。齿轮箱体优化设计的目的是:在保证齿轮箱体的机械性能不变、强度满足要求的情况下，其结构质量最小。因为在密度不变的条件下，齿轮箱体的体积最小时，其质量也最小，所以选取齿轮箱体的体积作为目标函数。其中，X=［x1，x2，…，xn，…，xN］T为N维设计变量组成的向量;V(X)为目标函数;J为不等式约束的数目;gj(X)为约束函数;XL≤X≤XU为设计变量定义域，XL与XU分别为设计变量的下限和上限。

2齿轮箱的优化设计的计算

有限元软件ANSYS的优化模块提供了两种优化方法:一阶分析法和零阶分析法。其中，零阶分析法是最常用的方法，可以解决大部分的实际工程问题。而一阶方法使用偏导数，计算量大，计算精度高但不能保证得到最佳结果［7，9］。因此，本文选用零阶分析法来对齿轮箱体进行优化设计。ANSYS的优化设计部分命令流如下:

3齿轮箱优化前后结果比较及分析

为了方便生产制造对齿轮箱优化后的数据进行圆整。齿轮箱优化前后以及取整后的比较如表2所示。优化取整后齿轮箱体的应力云图，如图7所示;箱盖的应力云图，如图8所示。

4结论

从表3、图7和图8可以看出，通过有限元ANSYS优化结果得出:在保证齿轮箱的静刚度的条件下，优化后的齿轮箱体结构的强度和刚度都能满足要求，且优化后的齿轮箱体质量降低了51．27%，静刚度也有一定的提高，箱体最大变形为0．0465mm，箱盖最大变形为0．111mm。这说明齿轮箱体的优化设计达到了轻量化的设计目的。

作者：薛斌 李尚平 麻芳兰 何永玲 刘智彪 周建阳 单位：钦州学院 广西大学