小型联合收割机变速箱壳体结构优化与可靠性分析

摘要

水稻和小麦作为我国农业中重要的经济作物，其收获方式在北方地区大多由大型收割机械完成，而对于南方丘陵山区由于其田块小、不平坦，田与田之间高低不一呈梯形状，大型收割机在这样的地势条件下作业时行走转向困难，无法发挥其作用，而小型联合收割机因为其质量和体积都较小巧在丘陵山区具有独特优势。但这就对小型联合收割机整机结构的紧凑性提出了很高的要求，其安装空间受到极大限制。并且在收获季节，收割机田间连续作业时间长，振动冲击大，特别在泥脚深的水田中作业时，行走负荷很大，对变速器壳体的可靠性提出了很高的要求。变速器壳体可以为内部的齿轮、轴、轴承等零件提供封闭空间，起到保护和安装的作用，但由于其传递功率大，工况复杂，工作时产生较大荷载应力以及变形，直接影响内部齿轮的啮合精度，因此保障箱体的强度和刚度是其设计的重点。然而，在传统经验设计中箱体的壁厚往往都取得较大，这样虽然保证了箱体的强度和刚度但也增加了箱体的质量，造成材料的冗余减低了整机性能。同时，联合收割机变速箱壳体尺寸参数、材料属性、工作载荷等都具有不确定性，这些因素的变异性直接影响变速箱壳体的结构可靠性。
　　本论文以某丘陵山区小型联合收割机变速箱壳体作为研究对象，以变速箱壳体的柔顺度最小为目标，对变速箱壳体结构进行拓扑优化设计，得到壳体加筋的最优布局；在满足箱体应力和频率要求的前提下，通过对其结构尺寸的优化以实现了箱体的质量和变形量最小；应用有限元数值模拟技术对变速箱壳体优化前后的静动态特性进行分析仿真，同时再通过模态试验对有限元模态分析进行验证，分析表明优化后的变速箱壳体在质量减少16.7％的同时，强度和刚度、动态特性均有增强；最后，对变速箱壳体进行结构可靠性分析，对其结构可靠性评估，从而达到联合收割机变速箱壳体结构的优化设计和合理评估。

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1 绪论

1.1 研究的目的和意义

1.2 变速箱壳体结构优化国内外研究现状

1.3 结构可靠性理论概述

1.4 课题来源和本文所要研究的主要内容

2 联合收割机变速箱壳体拓扑优化

2.1 拓扑优化理论基础

2.2 变速箱壳体拓扑优化分析

2.3变速箱壳体拓扑优化结果分析

2.4本章小结

3 联合收割机变速箱壳体结构尺寸优化

3.1响应面方法基本理论

3.2变速箱壳体结构尺寸优化模型

3.3 基于试验设计的响应面结果分析

3.4 本章小结

4 联合收割机变速箱壳体优化前后性能对比分析

4.1 变速箱壳体静力学分析

4.2 变速箱壳体模态分析

4.3 本章小结

5 联合收割机变速箱壳体结构可靠性分析

5.1 结构可靠性的基本概念

5.2 应力-强度干涉模型及可靠性计算

5.3 可靠性分析的基本方法

5.4 基于ANSYS Workbench的变速箱壳体可靠性分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及科研成果

致谢