对直齿圆柱齿轮Pro E 参数化设计及ANSYS 有限元分析.pdf

文章编号10032079420060420627203 对直齿圆柱齿轮Pro/ E参数化设计及ANSYS有限元分析 张悦刊,钟佩思,杨俊茹 山东科技大学 机械电子工程学院,山东 青岛266510 摘要论述了应用Pro/ E软件进行齿轮的三维建模及参数化设计方法。建立了渐开线直齿 圆柱齿轮参数化设计模型。利用Pro/ E与ANSYS接口技术和ANSYS软件,对Pro/ E中设计的具体 渐开线直齿圆柱齿轮在一定载荷作用下的应力状态进行了有限元仿真分析。研究结果对齿轮模型 库的开发、 改进和优化齿轮设计具有一定的参考价值。 关键词直齿圆柱齿轮;三维建模;参数化设计;有限元应力分析 中图号 TP39文献标识码 A Parametric Design and Finite Element Analysis of Cylindrical Spur Gear ZHANGYue - kan , ZHONG Pei- si, YANG Jun - ru College of Mechanical and Electrical Engineering , Shandong University of Science and Technology , Qingdao 266510 ,China Abstract The of 3 - D modeling and parametric design of cylindrical spur gear in Pro/ E software is discussed. Using the interface technology between Pro/ E and ANSYS software , the simulation analysisof stress status of the involute cylindrical spur gear , designed in Pro/ E, under a certain load is made. The research re2 sults has reference value to gear model library development and to the optimization design of the gear. Key words cylindrical spur gear ; 3 - D modeling; parametric design; finite element stress analysis 0 引言 齿轮是各种传动机构中应用最为广泛的一种零 件。传统齿轮设计是以齿根弯曲疲劳强度和齿面接 触疲劳强度为设计准则进行结构尺寸计算后进行试 验检验[1]。由于齿轮型号众多,加之在零件检测试 验中受测试点、 测试位置及加工工艺、 加工质量的影 响,难以全面准确地反映齿轮的应力分布状态。因 此传统的齿轮设计存在设计周期长、 效率低的缺点。 本文利用Pro/ E软件建立了渐开线直齿圆柱齿轮的 参数化设计模型。同时,利用Pro/ E和ANSYS接 口,把所建立的三维实体模型导入ANSYS ,对齿轮在 一定载荷条件下的应力分布状态进行了实例分析和 研究。本文的研究结果对于渐开线直齿圆柱齿轮的 参数化和系列化设计、 对于齿轮模型库的开发、 及时 发现设计缺陷,优化设计和提高设计效率具有重要 意义。 1 渐开线直齿圆柱齿轮参数化模型的构建 Pro/ E是美国参数技术公司Parametric Technol2 ogy Corporation , PTC开发的CAD/ CAE/ CAM软件。 其全新的概念几乎成为当今全世界机械CAD/ CAE/ CAM领域的一面旗帜和标准,尤其是第3代产品 Pro/ E wildfire版本,由于具有强大的参数化特征造 型功能而受到企业界的一致认同。同时,该软件与 有限元分析软件接口较好,因而已成为国内应用最 为广泛的三维建模软件[2]。本文通过Pro/ E中的 “参数” 、“关系” 、“从方程创建曲线” 等高级命令创建 了渐开线直齿圆柱齿轮的参数化模型,如果需要修 改模型,只要输入基本的参数,就可以得到不同的三 维齿轮模型,进而为渐开线直齿圆柱齿轮模型库的 开发提供基础。 渐开线直齿圆柱齿轮参数化模型的构建过程如 下。 1创建分度圆、 基圆、 齿顶圆、 齿根圆曲线,添 加齿轮参数和关系式。本文所选齿轮模数m 3, 齿数z 20,压力角prsangle 20,齿轮宽度B 15, 齿顶高系数ha 1. 0 ,齿顶隙系数c 0.25。添加 的参数关系式为 dmz , dbd[cos prsangle ] , da d 2ham , dfd- 2 h ac m , D0d , D1db, D2da, D3df, D9 90/ z , d67 360/ z , p68z。其 中D0, D1, D2, D3, D9, d67, p68关系式是将尺寸值赋 予已创建的曲线。如图1和图2对话框所示。 2创建轮齿的渐开线曲线,利用记事本添加并 编辑渐开线的柱坐标方程,如图3所示。 3创建齿轮的基本实体及轮齿特征并生成三 维实体模型,本文所创建的具体参数的齿轮模型如 图4所示。创建完成后,该齿轮模型就形成了参数 化驱动模型,以后只要给出不同的模数、 压力角,就 可以自动生成三维齿轮实体模型,从而减少设计人 第27卷第4期 2006年 4月 煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery Vol127No14 Apr. 2006 员的重复性劳动,提高设计效率。 图1 齿轮的参数对话框 Fig.1 Dialog box of parametric gear 图2 齿轮的关系对话框 Fig.2 Dialog box of relation of gear 4将构建后的齿轮模型保存为 “IGES” 格式,利 用Pro/ E与ANSYS软件的接口技术,ANSYS软件可 以自动识别和导入IGES三维实体数据格式,这样, 就把Pro/ E中构建的齿轮模型顺利导入ANSYS中, 直接对其进行有限元仿真分析。接下来利用ANSYS 软件对构建的齿轮模型在一定载荷作用下的应力状 态进行有限元仿真分析。 图3 齿轮的渐开线柱坐标方程图 Fig.3 Equation of cylindrical spur gear 图4 渐开线直齿圆柱齿轮三维实体模型 Fig.4 3 - D modeling of cylindrical spur gear entity 2 ANSYS有限元分析 将Pro/ E中构建的具体齿轮的三维实体模型利 用 “IGES” 格式导入ANSYS后,根据实际齿轮传动中 承受的载荷状态,对齿轮的应力场进行有限元仿真 分析,确定齿轮的最大应力值和位置,分析所设计的 齿轮结构参数及选用的材料是否满足使用要求,并 以此为基础实现齿轮的优化设计。 2.1 添加材料常数,划分网格 1单元类型的选择 确定有限元单元类型对有限元分析来说非常重 要,单元类型的选择不仅影响到网格的合理划分,而 且关键是对求解的精度影响很大。考虑到齿轮齿型 的复杂程度、 精度要求以及计算求解时间等实际因 素,采用Solid95为有限元网格单元。Solid95是空间 实体单元,适用于曲线边界的建模,具有塑性、 蠕变、 应力强化、 大变形和大应变功能。该单元有20个节 点,每个节点有X、Y和Z方向3个平动自由度[3]。 2添加材料常数 选用齿轮材料为45钢调质处理,硬 度 为 HBS240 ,弹性模量E 2. 1105MPa ;泊松比 μ 0128[4]。 3划分网格 采用智能网格划分工具 “SmartSize” 。SmartSize 是ANSYS提供的强大的自动网格划分工具,使用 SmartSize有利于在网格生成的过程中生成形状合理 的单元如图5所示。 图5 有限元网格划分模型 Fig.5 Modeling of finite element 2.2 添加边界约束条件 628 对直齿圆柱齿轮Pro/ E参数化设计及ANSY S有限元分析 张悦刊,等 第27卷第4期 施加边界约束条件是有限元分析过程中的重要 一环。边界条件是根据物理模型的实际工况在有限 元分析模型边界节点上施加的必要约束。边界约束 条件的准确度直接影响有限元分析的结果。在有限 元分析中确定边界条件一般应做到以下几条要施 加足够的约束,保证模型不产生刚体位移;施加的边 界条件必须符合物理模型的实际工况;力求简单直 观,便于计算分析[3]。 1施加位移约束 本文对齿轮采取静力分析,分别对X、Y、Z三 个方向上的平动和转动进行约束。 2施加约束载荷 为了加载方便,将沿啮合线作用在齿面上的法 向载荷Fn在节点处分解为2个相互垂直的分力,即 圆周力Ft与径向力Fr。本文以某车床渐开线直齿 圆柱齿轮为例进行分析。齿轮材料为45钢调质 , 弹性模量为2.1105MPa ;泊松比为0. 28。压力角 α 20 。该齿轮传递的扭矩T 2. 4104Nmm ,则 圆周力Ft 2T/ d 800 N ,径向力FrFttgα 260 N。 2.3 求解及后处理 有限元模型的求解不是目的,求解得出的数学 模型的计算结果才是所关心的。ANSYS提供了2个 后处理器通用后处理器和时间历程后处理器。本 文对齿轮进行的是静态分析,采用通用后处理器对 求解结果进行后处理。通过彩色云图显示应力、 应 变的分布。以不同颜色表示不同范围的应力值。形 象逼真地表现了齿轮内部的应力应变分布情况。如 图6所示为所设计的齿轮在本文载荷作用下的应力 分布云图。 由该应力云图可以看出,轮齿承受的最大应力 为315. 186 MPa ,位于齿根处,这也是齿轮最容易疲 劳失效的部位。这与以往计算结果相吻合。查阅相 关机械设计手册,可以看出最大应力小于所选齿轮 材料许用应力380 MPa [4]要求 ,说明设计合理。 如果应力的有限元仿真结果表明齿轮的设计不 合理,就需要对Pro/ E中构建的模型进行修正。 3 结语 通过本文的研究可以得到以下结论。 1利用Pro/ E软件建立了渐开线直齿圆柱齿 轮的参数化设计模型,利用该模型可以创建不同参 数的齿轮模型库,方便齿轮设计人员的调用。 2利用Pro/ E与ANSYS的接口技术,对设计的 具体齿轮在一定载荷作用下的应力状态进行了有限 元仿真分析。分析结果表明,齿根弯曲疲劳折断是 齿轮轮齿的主要失效形式,与实际情况相符。 3根据有限元仿真分析结果,可以对Pro/ E中 建立的物理模型的合理性进行正确判断,从而对物 理模型的设计方案进行优化,改正设计中的缺陷,缩 短分析时间,提高设计效率。 参考文献 [1]濮良贵,纪名刚.机械设计[M].北京高等教育出版社,2003. 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