新型车用金属带式无级变速器壳体的刚度和强度的ANSYS有限元

1、分类号 密级 UDC学 位 论 文新型车用金属带式无级变速器壳体的刚度和强度的ANSYS有限元分析作者姓名：郑宏远指导教师：孙德志 副教授东北大学机械工程及自动化学院申请学位级别：硕士学科类别：工学 学科专业名称：机械设计及理论论文提交日期：2007年 月 日论文答辩日期：2007年2月8日 学位授予日期： 2007年 月 日答辩委员会主席：评阅人：东 北 大 学2007年 月A Dissertation in Machine Design and TheoryStrength and Rigidity Analysis of New Type of Vehicle-use Metal Bel

2、t Continuously VariableTransmission Box by Using the ANSYSby Zheng HongyuanSupervisor: Associate Professor Sun DezhiNortheastern UniversityJanuary 2007独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：日 期：学位论

3、文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。（如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。）学位论文作者签名： 导师签名：签字日期： 签字日期：新型车用金属带式无级变速器壳体的刚度和强度的ANSYS 有限元分析摘 要金属带式无级变速器（CVT ）是迄今为止最理想的汽车变速器之一， 它以传动比变化连续，功率大，操作简单，使车辆外界行驶条件与发动机负载实现最佳匹配，进而提高整车的燃料经济性

4、能等诸多优点而著称，而壳体是其系统中很重要的一个零部件，它的强度和刚度对CVT 的整体性能有很大影响，所以研究CVT 壳体具有很重要的现实意义。本课题主要通过现代机械设计软件Pro/Engineering对一种国内自行研制的新型车用金属带式无级变速器（CVT ）壳体进行了一比一合箱整体建模，并使用Ansys 软件对该模型进行了较准确的强度和刚度有限元分析，求解结果表明金属带式无级变速器（CVT ）壳体结构设计中加强筋的布置方案不仅对自身的强度而且对变速器的传动性能都有一定重要性；此计算结果在一定程度上解决了由于传统设计时无法估算箱体变形而造成的传动隐患；也为实现整个CVT 系统的进一步优化和改

5、进提供了一定的依据。本课题所使用的合箱整体建模并采取局部圆角修正系数来校正结果的方法,解决了大型复杂模型不能在个人微机上实现计算的问题。在此过程当中，通过运用VB6.0编程语言编写程序的途径分别对使用有限元软件分析几种典型模型后得出的一系列应力应变结果进行了计算和线性插值处理，分别得到了相应圆角的应力修正系数曲线。此结论对今后人们采用本方法分析其它复杂箱体模型也有一定的指导意义。关键词：CVT 壳体;强度;刚度;Pro/Engineering; 有限元.Strength and Rigidity Analysis of New Typeof Vehicle-use Metal Belt Con

6、tinuouslyVariable Transmission Box by Using theANSYSAbstractMetal Belt Continuously Variable Transmission(CVT is so far as the most idealized vehicle-use Variable Transmission. It was famous by the positive effects of the radio of transmission vary continuously, great efficiency；manipulating conveni

7、ently; matching the capacity of motor with steering circumstance to improve the economic capability .Box is a important working part of the whole CVT system, its strength and rigidity have great impression on the whole capability of CVT,so studying the box of CVT have meaningful working.We construct

8、ed the complicated integral model of a kind of Metal belt (CVT personal-designed and manufactured for vehicle（1：1）by using the famous PRO/ Engineering software, and carried on a series of accurate intension and rigid analysis for the box model by using ANSYS FEA software，the result of the study show

9、 that structure designing of the Metal belt CVT box is very important not only for the intension capability of the box, but also for the transmission functions of Metal belt CVT, and the result can have helping to solve the hidden trouble of the Metal belt CVT transmission due to the designers could

10、n't estimate the transform of Continuously Variable Transmission box, it also provide a necessary information for further optimizing and improving the whole structure of CVT system.The method that we build integal box model and using rounding coefficient of correction to correct the result that

11、caculate from Ansys software Solved the problem that people cant use personal computer to analyse great complex FEA model.During the course of my research,I disposal these stress and deformation dates generated from Ansys software by using the way that we use VB6.0 software to compile the date proce

12、ssing and liner interpolation program，and finally,we get corresponding rounding correction coefficient curve,the result can also guide others东北大学硕士学位论文 Abstractusing my method to analyse other similer problem.Key words: CVT box; strength analysis; rigidity analysis; Pro/Engineer;Ansys目 录独创性声明 I摘 要 I

13、IABSTRACT III第1章 引 言 -1 -1.1课题研究意义.- 1 -1.2 本文所要解决的问题：.- 4 -1.3 本文所用软件的简介.- 4 -第2章金属带式无级变速器箱体模型的建立 - 7 -2.1 箱体的受力分析.- 7 -2.2 运用Pro/Engering软件建立CVT 箱体的三维图形. - 11 -第3章金属带式无级变速器箱体三维图形的简化和导入 - 13-3.1概述.- 13 -3.2圆角的简化.- 14 -3.3次要结构的简化.- 15 -3.4特殊结构的的修正.- 16 -3.5有限元模型的导入.- 19 -第4章金属带式无级变速器箱体模型的有限元分析 - 21

14、-4.1 网格的划分.- 21 -4.2 分析预处理及求解.- 25 -4.3 CVT箱体同轴度变化的研究.- 30 -第5章 分析结果的校正与分析 - 36 -5.1结果较正背景.- 36 -5.3结果分析软件的设计.- 36 -5.4结果的系统分析.- 38 -5.5 应力修正系数曲线.- 44 -5.6应力修正曲线的适用性分析：.- 48 -5.7 CVT箱体结果的最后修正.- 50 -5.8疲劳强度校核.- 50 -第6章 CVT 箱体模型的改进 - 51 -6.1原始模型的优化和改进.- 51 -6.2改进模型的导入与有限元分析.- 54 -6.3改进模型的分析结果.- 54 -第7

15、章 结论 - 57-7.1结论.- 57 -7.2展望.- 57 -参考文献 -58 -附录1 ANSYS准确性核对.- 62 -附录2 本文所编写程序的部分代码.- 64 -致谢 - 71 -在读期间从事科学研究及攻读学位期间发表的论文及获奖情况错误！未定义书签。东北大学硕士学位论文 第1章 引言第1章 引 言1.1课题研究意义车用金属带式无级变速器（CVT ）是迄今为止最理想的汽车变速器之一， 它以传动比变化连续，功率大，效率高，传动平稳，操作简单，使车辆外界行驶条件与发动机负载实现最佳匹配，进而提高整车的燃料经济性能等诸多优点而著称，在当今世界油价上涨的趋势下，其优越的节油性能将会越来越

16、引起世人的青睐，因此可以预见，CVT 将成为今后几十年内车用变速器的主流。同时，该变速器也已经引起了广泛的重视1-6。目前，车用金属带式无级变速器技术在国外已有一定发展，且已有正式产品上路，诸如本田飞渡等配制CVT 的车型等，但是，其传动性能并不是达到了最佳状态，其金属带在传动变速时产生的轴向偏移依然是亟待解决的。在国内，很多学者针对此问题提出了多种摩擦传动中的啮合理论，实现了纠偏7-8，但多数研究人员所设计的无偏传动系统并没有考虑到壳体中轴承支撑的位移和变形，而实际上，变速器壳体并不是刚体，其受力变形，加之制造和安装的不确定度，很可能造成壳体上的各轴承孔形位误差超差，因此，壳体上各孔的同轴度

17、、轴线平行度的设计精度等级应当充分考虑变速器壳体的变形。此外，上述壳体变形也会影响齿轮系统的传动性能，所以研究金属带式无级变速器的壳体具有很高的现实意义。目前，很多科研单位开发的车用CVT 箱体结构均极其复杂，部分设计所包络的汽车传动系统集金属带传动、二级齿轮传动、差速器于一体；壳体安装有高压齿轮泵和液压控制系统；摩擦传动、液压控制和润滑的油路均铸造在壳体上；甚至在壳体内部集成安装了驻车机构，造成中间齿轮轴呈悬臂状态，因此在这样的前提下，其布置安全与否是难以预料的，但受家用车内部空间和设计原始系数限制选择的余地又很小；加之变速器壳体常常会因为设计的需要开设一些必要的工艺孔；出于省油角度壳体还不

18、得不采用轻质铝合金材料并将壳体壁厚设计的很薄（通常壁厚度为4-5mm ）等等，这都会严重削弱壳体的机械性能，所以无论出于对哪一点的考虑，都非常有必要对壳体进行疲劳强度和刚度变化校核。从前面的叙述不难看出，虽然目前国内对CVT 系统的研究取得了很大进展，但倘如没有成熟的箱体设计技术作保障，就同样不能取得成功。在设计过程中忽略箱体变形影响的做法在CVT 箱体的研发上是不合理的。毕竟箱体是整个CVT 系统能够顺利工作的基础，其内部所有零件（从锥盘、磨擦片到齿轮）的最终配合均要依赖于箱体，也就是说箱体是整个变速器的骨骼，一旦它的安全得不到保证，以至发生破坏或严重变形，例如国际上很多研究证明在很多情况下

19、研究刚度是十分必要的46，即便我们可以先进的理论；即便我们能够解决所有零件的材料和热处理工艺；即便把传动系统设计的很精妙，其最终实际工作质量也会在一定程度上被打折扣。所以说对CVT 箱体结构的强度和刚度展开研究具有很大意义。它的研究结果可以为开发人员在开始设计时采用合理的箱体布置方案进而保证产品质量提供一定的依据，也可以为研究人员改进现有CVT 系统设计提供帮助。更重要的是，如果本研究所采用的通过三维软件建模并导入有限元软件分析然后找出适当修正系数校正结果的方法最终被验证可行并有效，就可以为今后人们在研究类似复杂箱体问题时提供一种新的快速途径和借鉴。尽管目前对CVT 箱体展开研究的必要性已逐渐

20、得到认同，但是，其复杂的设计构造也限制了相关研究的开展，事实上，很传统的二维设计配套简单的分析校核理论进行设计的方法在本研究领域已不能适用，既浪费时间，又很难完成任务。其设计出的产品质量和性能完全靠设计者的经验，而工程师们为寻求安全往往会选择较大安全系数的方案，这样便不可避免的会使设计显得笨重，也浪费材料，应该说其经济性能是无法保证的。而且如果继续沿用从前完全靠实际试验的方法测试全部结果，再对设计上存在的问题进行逐一修改，然后进行重新设计、制造、试验分析,其结果就是需要大量的研发时间和耗用更多的成本。这在目前国际市场日趋激烈的竞争条件下是绝对不能容忍的，因此若想得到令人满意的结果，就必须采用更

21、好的方法并借助高配置的计算机和先进的软件9。幸运的是今天众多有限元软件的出现为我们分析复杂壳体提供了可能，尤其是ANSYS 系统,10这是一种广泛应用于结构力学、电学、热学、声学、流体力学、电磁学等方面的大型通用分析软件。在很多行业已经有很高程度的可信度。它基于FEA （有限元分析）法，一种把连续体划分为一定尺寸的小的单元，接着将这些小单元通过节点和边连接起来，然后选择某些简单函数近似表示位移或应力的分布与变化，进而得到分析目标物理量的分布或变化的方法。该软件功能强大，可以分析很多复杂的连续介质问题，并自带有一定的三维设计功能，所以很多学者直接用其进行建模并分析41393625，并得出了满意的

22、结果，但也应该看到ANSYS 的三维建模功能在解决复杂零件问题时相对于专业建模软件还是要弱很多，并耗费更多的时间，尤其是在遇到变速箱壳体这样的情况，由于箱体构造普遍过于复杂，存在大量的曲面和不规则平面，加上ANSYS 软件本身的建模功能的限制，所以在短时间内很难直接在该平台上建立相应的复杂模型。至于圆角等结构，该软件就显得更加吃力。所以要想在规定期限内（以便腾出更多时间做后续工作）完成课题就有必要借助于强大的三维建模软件。目前，学术上在运用有限元软件分析类似复杂模型时比较流行采用两种软件结合的方案，即先使用三维软件建立模型2111，随后导入有限元系统进行分析，以充分发挥两者的长处。但其中的关键

23、就是三维软件所建立的模型必须能够完整的导入有限元分析软件，并且能够计算。而这对于拥有大量曲面结构的CVT 复杂箱体而言，显然又是一个难题。所以很多人采用先简化模型（达到能导入分析软件并能够计算的程度），然后再借助中间数据转换格式的方法2114，以期将三维建模软件与有限元分析软件有效的集成为一体，充分发挥两者各自的优势，但这种方法往往会在转换时造成部分数据丢失现象，所以有必要寻求其他的办法。ANSYS10.0版本更为强大的接口20为两者的直接准确结合运用提供了可能。此外由于无级变速系统集成度略高，导致其箱体相对于传统的手动变速箱要更复杂一些，此方面国内研究的成熟程度受条件和历史限制也要明显弱于后

24、者，而且本研究采用的建模方案为合箱整体建模，做到了约束最少，所以不能完全沿用前人的做法。例如，很多研究人员在使用专业三维设计软件建立模型并通过有限元程序计算结果2114后都没有考虑到因简化了圆角等结构而造成的结果误差问题，但实际上，复杂模型的很多局部特征例如圆角等虽然很难被有限元软件所导入，以至于必须先将其简化掉，但圆角的有无对箱体结构的应力依然起着一定影响，因此在受试验条件的限制下单纯为了求解方便而省略此一步骤分析复杂CVT 箱体的做法是不妥当的，必须设法求出不同典型圆角结构下相应的应力修正系数变化规律，然后选取适当系数对结果加以修正。基于以上因素考虑，本研究最终采用当前较为流行的Pro/E

25、ngineer软件对国内一种金属带式无级变速器的设计方案进行了1：1三维实体建模，然后将其导入ANSYS 有限元平台完成分析，此外由于研究有限元模型修正系数的变化规律涉及到诸多因素，需要采集大量的数据，所以本课题最后决定借助强大的VisualBasic 编程软件编译相应的计算、插值等处理程序，以便保证得到的修正结果准确、直观并可靠。1.2 本文所要解决的问题：1，使用Pro/E软件对复杂金属带式无级变速器箱体建立合箱模型；将模型简化及顺利导入Ansys 软件。2，求出最大应力、变形发生位置及其数值；并分析各轴承座轴心的同轴度偏移量及轴承座轴心间距离变化是否过大。3，编译适合本研究的数据处理程序

26、。4，分析几种典型截面模型（如空心圆形截面、空心菱形和空心方形等结构）在去掉根部圆角后的应力和位移修正系数变化规律并选择适当的修正系数对前面分析出的结果进行修正。5，如原箱体不能满足强度要求，提出较为有效的结构优化设计方案并计算新模型的强度和刚度。1.3 本文所用软件的简介在当今众多的CAD 软件中，美国PTC 公司开发的PRO/Engineer是一特征为主体的三维实体建模系统（Feature-based Sold Modeling System）, 是目前国际机械行业中最流行的三维实体设计软件之一。自其问世以来，Pro/E以其强大的三维处理功能和先进的设计理念以及简单实用的操作而被众多设计者

27、接受和推崇，在机械设计与加工制造领域中应用广泛43。它有三个重要特征，其中Pro/E软件的特征建模和参数化设计思想为操作和管理图形上的图元提供了极大的方便。1，基于特征；即基于组成图形的一组具有特定含义的图元。一个三维实体模型就是以数量众多的特征以“搭积木”的方式组织起来的。因此，特征是模型结构和操作的基本单位，模型创建过程也就是按照一定顺序依次向模型中添加各类特征的过程。为了管理这些特征，系统设置了一个优秀的特征管理员“模型数”。在模型中按照特征创建的先后顺序列出组成模型各个特征的详细列表，并为每一个特征分配一个标识。模型树记录下模型的创建轨迹，方便了设计者进一步修改自己的设计意图。2，尺寸

28、驱动；在Pro/E软件中，所有特征内的图元尺寸和位置都是彼此相关的。以便最终生成图形的每一处特征尺寸都准确无误。其基于尺寸驱动的参数化原理则可以是设计者绘图时舍弃大多数繁琐的设计限制，只需抓住图形的某一典型特点绘出图形，然后，通过向图形添加适当的约束条件规范其形状，最后修改图形的尺寸数值，经过系统再生后即可获得理想的图形。从而大大提高了设计的灵活性43。3，单一的却全关连的数据库，具有强大的参数化制造功能能，并且自带接口，可输出多种图形格式，再建模后可方便的被ANSYS 或其他有限元软件所接受，目前，iges 标准已经发展成为一种主流的通用图形数据交换格式，大多数软件都配有这种接口。本人据此采

29、用该软件作为本研究的三位建模工具。1013ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS 开发，在工业设计等部门已有某种程度的可信度，颇受各界的好评并且有很多应用5246。他基于FEA（有限元分析）法，一种把连续体划分为足够小的单元，这些单元通过节点和边连接起来，通过选择简单函数（比如线形函数），来近似表示位移或应力的分布与变化，从而得到整个连续体物理量的分布或变化的方法。该技术采用变分原理，可以用部分模型分析整体，从而能处理很多复杂的连续介质问题。同时它能与多数CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，如

30、Pro/Engineer、NASTRAN 、Alogor 、I-DEAS 、AutoCAD 等，是现代产品设计中的高级CAD 工具之一。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线形分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到内部结构）等

31、图形方式显示出来，也可以将计算结果以图表、曲线形式显示或输出13。软件提供了上百种单元类型，用来模拟工程中常用的各种结构和材料。Visual Basic 是基于Basic 的可视化的程序设计语言。在Visual Basic中，既继承了其先辈Basic 所具有的程序设计语言简单易用的特点，其编程系统又采用了面向对象、事件驱动的编程机制，用一种巧妙的方法把Windows 的编程复杂性封装起来，提供了一种所见即所得的可视界面设计方法。在VB 集成开发环境中，用户设计界面、编写代码、调试程序，直至把应用程序编译成可执行文件，在Windows 中运行，使用户在友好的开发环境中工作。Access 在办公自

32、动化中获得了广泛的应用，是Office 软件包的成员之一，Access 擅长对数据进行处理，例如建立、排序、分类及汇总数据等操作。Access 本身是一个可视化的数据库管理系统，提供了许多非常实用的向导，如何使用Access 建立数据库的各种对象，如创建表、查询和报表等。Access 使用内嵌Visual Basic 语言作为开发工具，完全面向对象编程，可以可视化地创建数据库应用程序。由于Access 与Visual Basic 使用的相同数据库引擎，因此可以建立既包括Access 组件又包括Visual Basic组件的应用程序，这样就提高了程序的稳定性，充分发挥了两者结合的优点- 7 -第

33、2章金属带式无级变速器箱体模型的建立2.1 箱体的受力分析表2.1 一种金属带式无级变速器传动的原始数据Table 2.1 The original date of a Metal Belt Continuously Variable Transmission designing 第一轴 第二轴 第三轴 第四轴 传动比： 12I =2.568 23I =1.773 34I = 3.833传动效率： 12=0.9223=0.98（7级）34=0.98（7级）锥盘直径155（主动）162(从动最大工作半径 R max 1=68.45mm Rmax 2=71.176mm 最小工作半径 R min 1

34、=27.712mmR min 2=32.342mm齿轮直径1D =53.376mm 2D =94.6214； 3D =48mm4D =184mm齿轮螺旋角=9723. 211 =9723. 212=365. 203=365. 204齿轮压力角=20n =20n =20n 图2.1 CVT工作状态下1、2轴受力分析 - 8 -图2.2 CVT启动状态下1、2轴受力分析 箱体各轴参数的计算结果图2.3 各轴受力分析图T able 2.2 The forced date of the Metal Belt CVT on every axis第一轴 第二轴 第三轴 第四轴拉力T 公式T 2= T 11

35、2I 121轴承3T = T223I 232轴承 T 4= T334I 343轴承拉力T 数值 T 1=128Nm T 2=297.92NmT 3=509.883NmT 4=1876.988Nm齿轮切向力1t F 公式 F 压= F 轴tan11F 1带= 2T 1/ Rmin 11212D T F t =12t t F F =3332D T F t =34t t F F =- 9 -F 径向分力带1= F 1带sin15.76 F 1 =2F 压- F 1带cos15.761t F 数值F 1=141.2N F 2=141.2N1t F =07. 11163N07. 111632=t F N

36、 3t F =125. 21245N 125. 212454=t F N 齿轮轴向力1a F111tan t a F F = 12a a F F = 333tan t a F F = 34a a F F = 1a F 数值1a F =896. 4503N896. 45032=a F N 3a F =222. 7886N222. 78864=a F N 齿轮径向力1r F1r F =n t F tan cos 1112r r F F =3r F =n t F tan cos 3334r r F F =1r F 数值1r F =259. 4381N 259. 43812=r F N3r F =14

37、6. 8248N146. 82484=r F N 箱体各轴承支反力的计算图2.4 整箱受力分析图- 10 -本文箱体受力以节点的形式进行施加11。沿轴承座圆周的分布力如图3所示，各节点力为0P , 1P ,，n P ,参考滚动轴承滚动体的受力分析，由计算的轴承支反力F 和变形协调条件求出如下：n P P P MF W n cos 2cos 210+=（2-1） 式中：F 轴承座孔支反力，NW 轴承座孔节点单位线载荷；NM 轴承座沿轴线方向的关键节点数量；P 节点所承受的最大载荷；Z轴承座沿圆周线方向上的关键节点总数；Z360= =360/12= 30 （2-2）4 1(=Z n （2-3） 而

38、n n k P =（弹性变形） （2-4） 假设轴承座孔的几何形状非常准确，则当变形很小时，n n cos 0=；（2-5） 图2.5 轴承座孔集中力的分解 - 11 -图2.11右壳体各轴承座受力分析展开图 图2.12左壳体各轴承座受力分析展开图2.2 运用Pro/Engering软件建立CVT 箱体的三维图形东北大学硕士学位论文 第2章 金属带式无级变速器箱体模型的建立 图2.22右壳体箱体model 图2.23左壳体箱体第3章金属带式无级变速器箱体三维图形的简化和导入3.1概述 图3.1右箱体 图3.2左箱体因为左右箱体使用20余根螺栓全自由度固联，所以在用Pro/E软件建模时可以将左右

39、CVT箱体及用螺栓捆绑于其上的驻车支撑轴盖做成一个整体零件 22，并将所有螺栓孔填平这样在导入Ansys 后得出的数据会相对准确些。图3.3 驻车支撑轴盖以下为本课题所用到的三种简化类型。3.2圆角的简化事实上，在使用有限元方法求解圆角结构时均比较困难2223，其原因是由于该方法的本身原理造成的，即将模型分成若干微小的规则单元体，而很多曲面恰恰又是不规则的，所以在划网格和求解时有限元软件会或多或少的出现坏网格和得出一些不够准确结果，甚至无法运算（通常Ansys 会按一定固定的规则自动忽略其中的某些部分），当然这与所选的单元类型有关，但好的单元类型尽管可以减小错误，却往往需要占用大量的系统资源并

40、需要更高的硬件设备，而普通的单元偏差又相对大一些，所以如果一个有限元模型十分简单，可以看作简单件，Ansys 还勉强可以应付，但其实质也是将曲线直线化（将曲线改变成一段段的直线或将曲面变成一段段的微小平面），所以必须将网格划分尺寸做得很小（即单元的尺寸要相应变小一些）才能接近真正的结果（在分析复杂曲面时，Ansys 有限元软件分析的结果是叠代得出的），但同时也要占用大量的时间和计算机系统资源，而对于略微复杂的箱体，如果我们不对其进行相应的简化，在现有的个人计算机存储和运算能力限制下，该软件就显得无能为力了，即便能算，多数情况下结果也是不够精确的。所以，我们在利用有限元软件分析类似于CVT 箱体

41、这种相当复杂的模型时，必须将绝大多数圆角结构去掉，才能进行运算而关键的部分则应寻找其他相似或等效结构代替。最后乘以修正系数加以校正。同时，模型的多数圆角实际上对箱体起到强度加强的作用，如果在这种情况下，本模型仍能满足要求，则更能说明箱体可靠。 图3.4部分圆角简化前 图3.5简化后3.3次要结构的简化 图3.6 部分次要结构 图3.7 部分次要结构3.4特殊结构的的修正此外，某些特殊的结构对箱体分析的成败也起着致命的影响。如3.8-3.9等图片所显示的那样，圆形曲面与平面结构相切，此时，有限元软件会因为靠近相切面的区域极其狭窄（尖角结构）而造成划分网格困难，更谈不上求解。如果一个模型仅有几处这

42、样的结构，软件或许可以勉强运算，但成功率很低，坏网格也会相应增加，但如果与上述结构相似的部分很多，则必须考虑将其修正。总体简化思想是：在不影响箱体总体结构和机械性能的前提下，（即改动不能太大，也不能对关键部位修改）尽可能的把壳体的每个部分规则化，同时要兼顾缩短运算时间。以便能够顺利划分网格并求解。以下列举了几种典型结构的修正方法。（1） 切除法但应该注意，此等修改必须是在箱体的次要部位方可。同时切除的尺寸又必须考虑所选划分网格单元的大小和形状，还必须考虑是模型外观相对规则。本课题中所削去的尖角尺寸均在1mm-2mm 左右，这样做可以略微兼顾以上三方面因素。如果尖角结构作用于敏感的区域，如轴承座

43、附近，则必须另想起他办法解决。 图3.8 一些尖角结构 图3.9一些尖角结构- 17 -图3.10一些修改的结构 图3.11一些修改的结构可以看到，虽然去掉了一小块尖角结构，相对于整箱而言，结构并没有太多改变。（2） 填补法其核心思想是使尖角结构规则化。图3.12一些尖角结构 图3.13一些尖角结构相应的修正模型为： - 18 - 图3.16一些尖角结构 图3.17 简化后的右壳体 图3.18简化后的左壳体- 19 -3.5有限元模型的导入19Ansys 软件配有同Pro/E的接口，（在下图所示的右上方菜单中ansys10.0处）但联接成功的关键是有限元软件的版本要比Pro/E的高，在此我选用

44、的ansys 版本为10.0，Pro/E为野火2.0，合乎此要求。 图3.19 Pro/E与Ansys 软件的接口位置首先在系统菜单中单击选择Ansys10.0-utilities -ANS_ADMIN，单击Ok 键（见图3.20 ）图3.20转化过程的一个中间界面在弹出的菜单中选择第三项，按下OK 按钮（见图3.21），在弹出的菜单中接受默认设置，然后在后面的窗口中填入Pro/E软件安装路径，最后按下OK 钮- 20 - 完成设置。图3.21转化过程的一个中间界面重新启动Pro/E软件系统将会自动在菜单中追加Ansys10.0选项。随后界面便会变成图3.19所示的那样。打开要导入的模型，单击

45、菜单栏中Ansys10.0-ANSConConfig 选项，接受弹出的软件间模型转化协议，便可完成整个过程，随后系统会自动启动Ansys 软件。但必须在菜单中点击Plot-Volumes 项将模型以体的形式重新显示最后导入的箱体Ansys 模型如图3.22 所示。图3.22最后导入Ansys 软件的箱体模型东北大学硕士学位论文 第4章金属带式无级变速器箱体模型的有限元分析- 21 -第4章金属带式无级变速器箱体模型的有限元分析4.1 网格的划分选择structural Solid Tet10 node92单元（此单元类型在现有的计算机条件下求解此类箱体较快，同时也能相对保持质量3013）。该箱

46、体材料为铸铝104，查表得44其弹性模量为71000Mpa ，泊松比为0.33。 注：计算力学问题时单元类型的选择：（以下所列举的单元仅包括可供本课题分析强度和刚度所需要的类型，图中编号代表自由度）（1） 四面体 （分为4节点和10节点两种）4节点四面体单元包括Quad 4node42和182，每个节点分别有沿坐标X 、Y 、Z 的三个平移和三个旋转自由度，输出应力方向与坐标一致。可以看出该单元模型是十分简单的。适应范围很广，但其缺点是运算的结果不够精确。 和187两种，后者的设计性能固然要略好于前者，但其先决条件是所使用的计算机要足够先进，运算的要足够快。<有限元分析>（2） 六

47、面体（分为8节点和20节点两种）8节点六面体单元，包括Quad 8node183、82 和Brick 8node4532、185等4种 ，每个节点沿其坐标方向x 、y 、z 共有3个平移自由度。分布载荷作用于这个单元的各个侧面，适合于分析大变形、大应变、朔性和屈服等问题。但应注意这个单元求出的应力方向与单元的坐标系平行。 （2）壳体（shell ）单元此类单元适合于对规则壳体的分析，其模型如图4.5所示，但在解决复杂结构时不够准确。 图4.5 SOLID181单元结构很显然，手动划分如此复杂箱体的网格是不现实的，既浪费时间，又无法做到考虑周全，而采用自动划分的方式又无法保证节点会出现在所需要的

48、指定位置。例如如果需要寻找在以轴承座座中心为圆点，与竖直线成22.5度方向的箱体内壁表面上的一点，就很难做到，Ansys 在默认情况下只能确定其周围一定范围内的节点，而如果只泛泛的对轴承施加面载荷又根本不符合实际情况，此时就需要在划分网格前对箱体作一定的处理，通过设置关键点引导Ansys 软件在划分网格时在选定的坐标位置生成节点。即先按比例在各轴承座划分曲线，再用曲线切割曲面的方法依次根据图2-6中所示力系的作用点划分轴承座受力曲面。但实际上本箱体属于全封闭结构，很多腔内受力点如果不做处理根本无法施加，特别是第三轴（连接驻车机构）的一对轴承座，完全包络于箱体内部，从表面根本无法观察到任何受力位

49、置，因此非常有必要重新手动设置软件的显示功能，在此，我使用了Ansys 软件提供的屏蔽指定曲面工具。手动依次取消显示遮挡内部结构的曲面。待分割过程结束后重新显示全部模型即可，丝毫不会影响分析的结果。 图4.6取消显示遮挡视线的曲面过程中的一个截图最后，记下受力关键点的编号。各轴承座最终划分效果见图4.7。 图4.7划好受力点后的各轴承座从箱体的复杂程度和体积来看，并不适于在Ansys 中使用过小尺寸的网格，尽管小的单元尺寸可以叠代出更精确的结果，但在现有的个人计算机条件下肯定会受到限制，（本模型大约每缩小1个网格边长尺寸单位，求解时间延长一倍，并多占用更多的硬盘空间）所以经反复试验，笔者最后选择体划分单元的边长尺寸为8个单位。这样求解一次的时间大约需要2-3个小时。占用硬盘空间7个G 。图4.8为划分完网格的箱体模型。共生成148419个单元和281167个节点。 图4.8划好网格的CVT 箱体模型4.2 分析预处理及求解 图4.9 施加在右壳体上的约束点 图 4.10施加在左壳体上的约束点因该模型左右两部分箱体分别用一副支点与车体全自由度固联，故分析时选该箱体的前后两幅支架的端面作为定位面，且为全自由度限制。 图4.11各轴承座受力图而图4.12为本箱体完整的应