引言

由于鏈條傳動在運轉時因多邊形效應因而不能保持恒定的瞬時傳動比、帶傳動無法兼顧密封性與散熱性，故無法應用于巴哈賽車，齒輪傳動成為了其傳動的主要形式。然而大家為了提高其安全系數，經驗性的給定減速器殼體結構參數，造成體積太大，從而導致原材料的浪費，成本偏高。為解決該問題，對減速器進行優化設計具有重要意義。

本文采用有限元法分析對給定載荷下分析箱體結構的應力和形變云圖。并對箱體結構強度進行校核。在此基礎上進行拓撲優化，滿足設計和使用要求，從而達到殼體輕量化目的和降低生產成本。

1 三維模型及有限元模型建立

圖1 殼體三維模型和有限元模型建立及驗證流程

在有限元模型建立過程中會出現很多問題，它們會直接影響到模型仿真得出結果的有效性。為保證胸部-護欄薄壁長桿的有效性和精確性，采用如圖1 所示的流程圖。

利用CATIA 建立減速器三維模型，減速器包括齒輪、齒輪軸、減速箱殼體等部件。導入ANSYA Workbench 進行前處理，網格采用四面體，節點數66935，單元數量39510，如圖2 所示。

圖2 殼體三維模型和有限元模型

2 結果分析

從圖3（a）中可以得出，最大應變位置在第一軸箱體邊緣附近和第二軸第三軸軸承座根部附近，最大應變為0.00053732mm，遠遠小于許用的變形量。從圖3（b）可以得出應力較大位置在第二軸第三軸軸承座根部附近，應力大小為0.51454 MPa，遠遠小于選用材料的許用應力。

圖3 箱體云圖

3 拓撲優化設計

由上述分析發現，減速箱殼體設計強度較高，致使減速箱體積過大造成浪費。現使用ANSYS 中Shape Optimization 模塊進行形狀優化，在拓撲優化選項中，設置要去除的材料為你所想要的百分比，求解得出可以優化的方案。如圖4 所示有限元模型在形狀優化后的結果。將圖中紅色部分修改其厚度，原厚度為5mm，現將厚度縮小為3mm，如圖4 所示。

從圖5 箱體應變云圖可以看出經過形狀優化后的模型最大應變數值為0.0053779mm。最大變形量為10.343MPa。由結果可知其變形與應力值仍遠遠小于材料的許用值，但考慮到賽車在比賽過程中遇到復雜的沖擊載荷和耐久性等情況，認定該優化后的方案可行。

圖4 拓撲優化結果圖

圖5 拓撲優化后箱體云圖

4 結束語

通過采用有限元法和優化設計理論，在變速器箱最大應力小于材料屈服強度的條件下，利用ANSYS 軟件計算和分析箱體的應力情況，優化結果與原設計方案相比優化效果明顯，提高設計、修改設計的效率。為巴哈賽車中變速器殼體輕量化的設計提供了思路和參考。