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文章编号10032079420060320431202 基于UG的驱动轮有限元分析 3 栾丽君1 ,2,陈 凯1,李 波1 1. 辽宁工程技术大学 机械学院,辽宁 阜新123000; 2.东北大学 机械学院,沈阳110006 摘要利用UG- NX2.0中的Structure模块对驱动轮的应力分布规律进行计算和分析,得出 了该构件的应力分布图,从理论上对驱动盘的常见破坏形式进行了分析研究。为进一步改进驱动 盘的受力状况和结构设计,实现驱动盘的标准化生产提供了必要的理论依据。 关键词驱动盘;结构分析;有限元; UG;强度校核 中图号 TD53 ; TP39117 ; O242121文献标识码 A FEA of Drive - wheel Based on UG LUANLi- jun1,2, CHEN K ai1, LI Bo1 1.Liaoning Technical University Mechanical Institute , Fuxin 123000 , China ; 2.Northeast University Mechanical Institute , Shenyang 110006 , China Abstract Calculates and analyses the stress distributing rule of the drive - wheel using UG- NX2. 0 software with the structure module , and receives the figure that describes the distribution of the stresses and strain , and investigates the usual destroyingsof it in theory , and provides essential theoretic gist for improving its suf2 fering force situation and structure and realizing its standardization production. Key words drive - wheel ; structure analysis; finite element ; UG; strength check 0 引言 UG的CAD/ CAE/ CAM功能模块有复杂的特征 建模、 装配、 运动仿真和有限元分析等功能。 在UG有限元分析模块中共集成了4种有限元 求 解 器StructuresP.E,NASTRAN ,ANSYS和 ABAQUS。这种集成为UG提供了1个完整的建模 和分析环境,同时它还提供了大量不同类型的解决 方案,包括线性静力分析、 普通建模、 线性振动、 间隙 配合和稳态热传导,其支持的材料类型包括各向同 性、 横观各向异性和各向异性以及不考虑温度影响 的材料用户可以根据需要选取不同的求解器和对应 的分析模式。 UG有限元分析功能的实现,必须遵从UG有限 元分析的一般过程,即建立一个有限元分析的环境 有限元分析场景,它作为有限元模型的载体负责 存储所有有限元模型的信息,形成有限元分析的原 始数据文件;在该场景中构建有限元模型,包括添加 载荷、 添加材料、 添加边界条件和自动划分网格;向 有限元分析工具提交建立的有限元模型数据;用有 限元分析工具进行有限元的分析;在UG有限元分 析中调出分析结果的数据文件,利用图形的方式显 示模型的应力、 应变分布情况,并得出各种应力、 应 变数据。 1 驱动轮在UG下的有限元分析 1.1 驱动轮模型的建立 利用UG/Modeling模块建立驱动轮模型,如图1 所示去除网格后的形状。 1.2 划分网格 根据驱动轮的形状、 键槽的大小和驱动轮的受 3 辽宁省教育厅资助项目20081218 力方式,驱动轮的受力方式是以轮幅边缘的受力点 为对称面的受力方式,因此它的网格划分形式可以 采用对称网格划分,只要在对称平面上把驱动轮的 受力大小改成原来的一半就可以了。单元网格的划 分采用UG自带的3D四面体自动网格划分,类型是 10节点四面体网格,全局网格单元大小为7. 5 mm , 在零件中单元总数量为33 617个;其在部件中节点 总数量为56 507。这样划分的小网格可以在受力集 中的键槽上清晰地表现其应力和应变情况。如图1 所示。 图1 驱动轮网格 Fig.1 Grid of the drive wheel 1.3 定义材料特性 材料选择材料库中的金属Steel ,其材料相应默 认属性如下 材料类型各向同性 质量密度/ kgmm- 37.858 37e - 6 杨氏模量/MPa2.068 440e5 泊松比0.3 1.4 施加载荷和边界条件 1施加载荷 由于驱动轮是主要传动部件,其传动方式是靠 第27卷第3期 2006年 3月 煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery Vol127No13 Mar. 2006 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 钢丝绳和驱动轮之间的摩擦力来牵引的。与驱动轮 接触的钢丝绳上任意一点张力 FiF1eμ1αi 式中 μ1 钢丝绳和驱动轮之间的摩擦系数; αi 钢丝绳与驱动轮接触处任一点到钢丝 绳与驱动轮分离点实际接触的围包角。 钢丝绳张力变化规律如图2所示, F1、F2为钢 丝绳与驱动轮分离点与相遇点的张力。 图2 钢丝绳受力示意图 Fig.2 Receiving force analysis of rope 根据钢丝绳的受力情况,将钢丝绳划分成微元 体进行受力分析如图3所示。 图3 钢丝绳小微元受力简图 Fig.3 Receiving force analysis of rope’s element 设每一微元体钢丝绳长度对应的围包角为α, 则微元体上钢丝绳张力对驱动轮产生的法向平均载 荷 Fri F iFi1sinα/2 l 切向平均载荷 Fti F iFi1cosα/2 l 当预紧力F 8 992 N ,F1 0.5F 4 496 N时, 以α 5 为一个微元体计算法向均布载荷 Fri和切 向均布载荷Fti,将其加到驱动轮槽的中心线上。 2边界条件 根据驱动盘的受力情况约束有2种形式,第1 种是在键槽的3个表面施加固定约束条件,第2种 是在钢丝绳的缠绕表面的3个轮齿上施加对称约束 条件。 2 强度校核 UG软件的结构分析模块提供了强大的后处理 功能,可以自动生成计算分析报告。取驱动轮的材 料为45钢,其抗拉强度σb 600 MPa ,取安全系数n 8,得其许用应力[σ]σb/ n 75 MPa ,使用UG的 结构分析模块得到驱动轮的应力分布如图4、 图5 所示,从图中可以看出,驱动轮的高应力区主要集中 在键槽、 轮轴孔以及轮幅边缘,其中最大应力区在轮 幅边缘上,σmax 71637 MPa [σ] ,则材料强度满足 要求。 图4 驱动轮的应力分布自由侧面 Fig.4 Stress displacement of drive wheel free side 图5 驱动轮的应力分布中间对称面 Fig.5 Stress displacement of drive wheel middle plane of symmetry 3 结语 1应用UG软件,当结构修改以后,只需要改 变相应的参数,即可进行仿真分析,从而大大提高了 计算效率。 2仿真结果为驱动轮的强度设计提供了数值 依据。这里运用UG软件对驱动轮进行结构分析, 分析表明这种机构的动力学特性良好,冲击小,运动 平稳。 3对驱动轮的有限元分析表明,驱动轮的应力 状态水平较低,驱动轮的高应力区主要集中在键槽、 轮轴孔、 轮幅边缘,可以进一步对驱动轮结构进行优 化,以减轻重量,降低成本。 4采用有限元分析法与传统方法相比,大大提 高了分析精度及设计品质,为进一步改进驱动轮和 其他相关零件的结构设计提供了理论依据。 参考文献 [1]林慧珠.机械零件设计的强大工具 Unigraphics[J ].化工装备技 术,2003 ,55 48 - 49. [2]耿鲁怡,徐六飞.UG结构分析培训教程[M].北京清华大学出版 社,20051 42 - 44. [3]栾丽君,毛君,任立义.串联盘式管道连续输送机布置方式及力学 分析[J ].机械设计,20051 44 - 46. 作者简介栾丽君1963 - ,女,黑龙江七台河人,工业设计系 主任,教授,2005年东北大学机械设计及理论专业获博士学位,主要 研究方向机电一体化技术、 物流系统自动化及工业产品造型设计, E- mail senluan . 收稿日期2005209206 432 基于UG的驱动轮有限元分析 栾丽君,等 第27卷第3期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.