直齿圆柱齿轮三维建模及有限元分析毕业设计论文.docx
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直齿圆柱齿轮三维建模及有限元分析毕业设计论文
直齿圆柱齿轮三维建模及有限元分析
摘要:
齿轮设计的主要内容之一是强度设计,而强度设计的重点研究对象是轮齿。
由于齿轮的几何形状、边界条件和作用载荷都非常复杂,按照传统的方法进行试验研究难度较大,这就要求我们采用新的研究方法来研究和分析齿轮。
本文先通过运用PROE绘图软件,按照图纸绘制直齿圆柱齿轮三维实体模型,利用有限元软件ANSYS的建模功能,建立渐开线标准直齿圆柱齿轮的二维有限元模型,然后运用ANSYS分析软件对静载荷作用下齿轮的齿根应力和齿轮变形进行有限元分析,通过对直齿圆柱齿轮模型进行网格划分、齿轮负载及边界条件的设定,得出齿轮应变分布图及应力分布图。
在此基础上,比较二维模型和三维模型的模拟结果,并与传统的齿轮强度计算方法作比较。
同时在ANSYS/LS-DYNA程序中研究冲击载荷作用下齿轮的齿根应力随冲击脉冲时间变化的情况。
关键词:
直齿圆柱齿轮齿轮有限元强度ANSYS
Abstract:
Strengthdesignisoneofthemaincontentsofgeardesign,andthefocusofstudyforstrengthdesignedisthetooth.Itismuchtoodifficulttocarryontheexperimentalstudybythetraditionalmethodforthegeometryshapeofcrankshaft,boundaryconditionandextremelycomplicatedfunctionload,soanewresearchtechniquetostudyandanalyzecrankshaftisrequestedtouse.
Accordingtostraighttoothedspurgearblueprint,PROEcartographysoftwareisutilizedinthisthesistoprotractitsthreedimensionalfull-scalemockups,useingoffiniteelementsoftwareansysmodeling,establishatwo-dimensionalelementmodelofthestandardstraightlineonthegear.Thenapplyansysanalysissoftwarefortoothedrootsstressandgeardeformationtothefiniteelementanalysisofthegearinastaticload.Thegearstraindistributionmapandthestressdistributionmapareobtainedthroughcarryingonthegriddivision,thegearloadandtheboundaryconditionhypothesistothegearmodel.Onthatbasis,comparingthesimulationsofthetwomodelstothethree-dimensionalmodel,andcomparingthetraditionalcomputationofthestrengthofgear.Atthesametimetoresearchthechangingsatuationthattooth-rootstressofgearastheimpulsetimeundertheimpactloadsintheANSYS/LS-DYNA.
Keyword:
Spurgear;Finiteelement;Intensity;ANSYS
摘要……I
Abstract(英文摘要)…...
目录….
2.1.1Pro/ENGINEER系统简介.……………………………………………………………4
2.1.2Pro/ENGINEER系统特点…………………………………………………………….4
2.1.3Pro/ENGINEER的应用现状………………………………………………………….5
2.2.1硬件要求……………………………………………………………………………….6
2.2.2操作系统设置………………………………………………………………………….6
2.2.3基本功能……………………………………………………………………………….8
第三章直齿圆柱齿轮有限元分析…………………………………………….….19
3.1ANSYS概述19
3.1.1ANSYS简介19
3.1.2ANSYS的主要功能和技术特点19
3.1.3ANSYS的系统要求20
3.1.4ANSYS的基本分析过程21
3.1.5ANSYS的发展和应用21
3.2ANSYS菜单和窗口介绍22
3.3基于ANSYS的直齿圆柱齿轮有限元分析24
3.3.1齿轮的导入24
3.3.2齿轮的有限元模型25
3.3.3齿轮的二维有限元分析27
3.3.4齿轮的三维有限元分析……………………...................................30
3.3.5有限元法与传统齿轮强度计算方法比较......................................32
3.3.6冲击载荷作用下齿轮的动态响应………………………………………29
结论….….33
参考文献….34
致谢及声明….35
Diyizhian………………………………………………………..23
Dierzhang………………………………………………………..24
第一章引言
1.1课题的研究背景
齿轮是机械中最重要的零件之一。
由于其形状比较复杂,用传统的计算方法不能确定其真实的应力及变形分布规律,因此用现代设计方法研究齿轮的受载变形情况和接触强度,具有广泛的用途,它可以提高整个齿轮结构的设计水平。
相对于传统的计算方法,有限元由于其能快速、准确可靠、灵活地分析计算,在国内外齿轮设计和计算中已得到广泛应用。
齿轮变形的有限元分析七十年代已开始,但仅仅计算挠曲变形,接触变形和接触应力的有限元分析在九十年代才真正开始,主要方法有罚函数法,拉格朗日乘子法等,其中罚函数法由于其经济和方便,得到了广泛使用。
齿轮计算中的有限元法是建立在最小能量基础上的方法,最终形成一组平衡方程,即{K}{D}={R},{K}为刚度矩阵(它与齿轮的材料、几何形状和单元特性有关),{D}为位移向量,{R}为载荷向量,构成并求解这个方程就是齿轮计算的有限元法过程。
齿轮应力的精确分析是轮齿承载能力的重要技术保障之一。
本文基于ANSYS软件建立渐开线直齿圆柱齿轮的二维和三维有限元模型,对静载荷作用下齿轮的齿根应力和齿轮变形进行有限元分析,为齿轮设计提供一种新的设计方法和理论依据。
1.2课题的研究现状
齿轮传动是机械传动中应用最广泛的一种传动,其失效形式多种多样,而最常见的是轮齿折断和工作面的损伤。
轮齿折断在正常情况下主要是齿根弯曲疲劳折断,这是因为在轮齿受载时,齿根处产生的弯曲应力最大再加上过渡处部分的截面突变及加工刀痕等引起的应力集中作用,致使齿轮疲劳折断。
我国齿轮“国家标准”中规定了基准齿廓的齿根圆角半径r=0.38m(m为模数),但实际情况中刀具的齿顶圆角都偏小,致使齿根过渡曲线上危险点处的曲率半径偏小,应力集中就越严重。
近年来,随着计算机技术的发展,有限元方法(FEM)已经成为内燃机零件设计、评价、诊断和失效分析不可缺少的工具。
有限元技术在齿轮的强度研究中的应用,为精确而全面地计算齿轮的应力提供了可能,已有许多文献利用有限元方法得出了有效的结果。
齿轮是空间构件,从对实际形状的逼近和边界条件的模拟来说,三维有限元模型最为理想,并且由于二维模型不能求解实际工况下的空间应力分布,因此,随着当前计算机软、硬件发展水平的提高,三维有限元模型得到了越来越广泛的应用。
目前,随着计算机软硬件水平的提高,随着计算机技术的日益普及和FEA技术的蓬勃发展,人们已广泛采用计算机有限元仿真分析来作为齿轮强度校核的方法。
随着齿轮传动向重载、高速、低噪、高可靠性方向发展。
现代齿轮设计对齿轮传动系统的静、动态特性提出了更高的要求。
齿轮设计的主要内容之一是强度设计,而强度设计的重点研究对象是轮齿。
因此,建立比较精确的分析模型,准确地掌握轮齿应力的分布特点和变化规律具有重要的意义。
结果表明:
通过ANSYS软件分析的结果与真实情况很接近,据此可以看出齿轮的失效形式,也可方便地进行齿轮齿根弯曲疲劳强度以及齿面接触疲劳强度校核,有利于对齿轮传动过程中力学特性进行深入研究,为齿轮传动的优化设计提供了基础理论。
1.3课题的主要研究内容及意义
该课题主要通过运用PROE绘图软件,按照直齿圆柱齿轮的图纸绘制曲轴三维实体模型,然后运用ANSYS分析软件对齿轮进行强度分析,通过对齿轮模型进行网格划分、曲轴负载及边界条件的设定,计算求解得出齿轮应变分布图及应力分布图,找出齿轮易破坏部位,寻找提高齿轮强度的措施,为以后的齿轮设计和开发打下良好的基础和提供准确而可靠的理论依据;同时,有限元方法的应用为大幅度提高齿轮应力的计算精度提供了条件,它们将是今后我们进行各种强度计算的主要手段之一。
在毕业设计的过程中,我们应当充分发挥自己的主观能动性,积极思考,勇于创新,开阔自己的思维方式,为将来的学习和工作打下良好的基础。
1.4齿轮有限元计算的发展与趋势
有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法,它最初是在50年代作为处理固体力学问题的方法出现的.有限元法是分析各种结构问题的强有力的工具,不论结构的几何形状和边界条件多么复杂,不论材料性质和外加载荷如何多变,无论是大型飞机、大型舰船,还是高层建筑水利大坝,使用有限元法均可方便地进行分析和获得满意的答案.在国外,许多制造企业,把有限元分析作为设计过程的一个必要。
齿轮计算的方法很多且评价指标各不相同,建立一套完整的齿轮强度计算规范,可以准确快速地计算评价齿轮的强度,加快产品研发;将其作为企业CAE规范的一部分,可以确保企业知识财富的连续积累,将齿轮强度的计算分析工作纳入有序确定的产品研发过程。
现有的齿轮疲劳强度计算方法大都按材料的疲劳极限,考虑材料强化处理、应力循环和尺寸影响,求出齿轮危险部位的最小强度储备,以安全系数的形式表示。
三维有限元法可相对准确地得到齿轮的应力分布,通过应力分布可以采用一定的评价方法确定齿轮的疲劳强度。
第二章直齿圆柱齿轮的三维实体建模
2.1Pro/ENGINEER概述
2.1.1Pro/ENGINEER系统简介
Pro/ENGINEER是美国参数技术公司(ParametricTechnologyCorporation)于1988年率先推出的以参数化为基础、以三维造型为设计模式的CAD/CAE/CAM系统,其最新版本Pro/ENGINEERWildfire于2003年正式发布。
由于其强大的功能,现已广泛应用于电子、通信、机械、模具、工业设计、汽车、自行车、航天、家电、玩具等各个行业,成为提供工业解决方案的有力工具。
随着Pro/ENGINEER的推广和应用,在国内外市场形成了十分热烈的3D设计新局面。
Pro/ENGINEER可谓是个全方位的三维产品开发软件,集合了零件设计、产品组合、模具开发、数控加工、钣金件设计、铸造设计、造型设计、自动测量、机构仿真、应力分析、产品数据库管理功能于一体,模块众多。
Pro/ENGINEER作为三维造型设计系统,是一套由设计至生产的机械自动化软件,其功能强大,用途广泛,是新一代Pro/ENGINEER系统软件。
它以尺寸驱动、特征建模、全参数设计、单一全关联的数据库、虚拟现实及多数据接口等优点改变了传统的设计观念,使设计工作直观化、高效化、精确化和系统化,成为目前图形分析领域的新标准。
与传统的图形分析系统仅提供绘图工具不同,Pro/ENGINEER提供了一套完整的机械产品解决方案,包括工业设计、机械设计、模具设计、钣金设计、加工制造、机构分析、有限元分析和产品数据库管理,甚至包括了产品生命周期,是多项技术的集成产品。
Pro/ENGINEER的主要特征有:
(1)3D实体模型;
(2)单一数据库;(3)基于特征的参数化实体建模;(4)行为建模技术;(5)机构设计技术;(6)强大的装配功能;(7)NC加工;(8)二次开发技术。
2.1.2Pro/ENGINEER系统特点
Pro/ENGINEER作为一种全参数化的计算机辅助设计系统,与其他计算机辅助设计系统相比拥有许多独特的特点,充分了解这些特点后能够正确理解其设计理念,使产品的设计不仅能够满足要求,而且具有很强的弹性和灵活性,下面简要介绍其中主要的5个特点。
(1)三维实体造型
Pro/ENGINEER是一个实体建模器,允许在三维环境中工作,通过各种造型手段达到设计目的,能够将用户的设计思想以最逼真的模型表现出来,用户能够更直接地了解设计的真实性,避免了传统设计中点、线、面构成几何的不足。
(2)以特征造型为基础
Pro/ENGINEER是一个基于特征的实体建模工具,系统认为特征是组成模型的基本单元,实体模型是通过多个特征的创建完成设计,也就是说实体模型是特征的叠加。
(3)参数化
Pro/ENGINEER是一个全参数化的系统,几何形状和大小都由尺寸参数控制,在产品设计过程中使用的所有尺寸参数与物理参数都存放于单一的数据库中,可随时修改这些尺寸参数并可对设计对象进行分析,计算出模型的体积、面积、质量、惯性矩等;特征之间存在着相依的关系,即所谓的“父—子”关系,使得某一特征的修改,同时会牵动其他特征的变更;可以运用强大的数学运算方式,建立各特征之间的数学关系,使得计算机能够自动地计算出模型应有的形状和固定位置。
(4)相关性
Pro/ENGINEER创建的三维零件模型以及由此产生的二维工程图、装配部件、模具、仿真加工等,它们之间双向关联,采用单一的数据管理,既可以减少数据的存储量以节约磁盘空间,又可以在任何环节对模型进行修改,同时与模型相关的对象也会自动修改,保证了设计数据的统一性和准确性,也避免了因反复修改而花费的大量时间。
(5)系列化
Pro/ENGINEER能够依据创建的原始模型,通过家族表改变模型组成对象的数量或尺寸关系,建立系列化的模型,这也是建立国家标准件库的重要手段之一。
2.1.3Pro/ENGINEER的应用现状
Pro/ENGINEER在各行各业中的应用越来越广泛、越来越深入,虽然和Pro/ENGINEER等二维绘图软件相比,Pro/ENGINEER的使用相对要难得多,但这并没有阻止人们对它的学习、使用及开发。
这也充分说明了Pro/ENGINEER具有人们所渴望的优良的性能和灵活多变的开发方法。
(1)连杆的计算机辅助设计系统
连杆设计过程中采用Pro/ENGINEER做零件的参数化设计平台,用Pro/Mechnaic做有限元分析平台,利用VC++语言,经二次开发制成。
该系统实施变结构、变参数设计方法,将设计、分析、绘图等不同功能的模块有机结合。
该文中设计和分析采用同一数据库,避免了数据交换中可能发生的丢失和错误。
(2)叶轮叶片的实体造型
在设计叶轮叶片时,可从现有的水力设计CAD软件出发,利用数据预处理程序,结合Pro/ENGINEER软件,较好地实现了叶轮叶片的实体造型,缩短了在Pro/ENGINEER中重新建模的时间,且保证了加工出的叶轮更符合水泵性能要求。
(3)齿轮的造型设计
渐开线齿轮由于具有能保证特定传动比传动、受力方向不变等优点,被广泛应用于航空、汽车、机床和自动化生产线等各种通用机械中。
渐开线齿轮齿形比较复杂,一些低端的CAD软件必须通过编写程序才能完成它的造型,而在Pro/ENGINEER环境下,则可以用多种建模方法来精确造型,方便快捷,还可以通过其内部的开发工具程序(Pro/Program),添加简单的几句控制语句,人机交互地输入设计变量值,实现渐开线齿轮自动化造型。
(4)汽车风扇模具设计
在传统的汽车风扇产品设计、模具设计和加工当中,往往是根据经验设计风扇外形,通过手工做模来进行模具设计和加工,加工出来的产品,往往一次不能满足要求,这就要不断地修改产品设计,从而导致修模,有时整个模具都报费,这不仅使产品开发周期加长,而且开发成本大大提高。
利用Pro/ENGINEER软件来实现三维设计,从而大大地缩短了产品研发的周期、模具设计周期和加工周期,提高了产品设计的准确性,降低了产品开发和模具设计成本。
2.2Pro/ENGINEER的工作环境和系统设置
2.2.1硬件要求
虽然Pro/ENGINEERWildfire的软件说明书并没有对计算机硬件提出明确的要求,但为了保证软件安全、正常地使用,在安装系统时,最好按以下要求配置计算机硬件:
●CPU:
1GHz以上;
●内存:
一般选择256MB。
如果经常设计复杂零件、大型装配、结构分析、运动仿真或产生NC加工程序,则应选择512MB以上的内存;
●显卡:
选择专业显卡,也可选择NVGF2或ATI7500以上的显卡;
●硬盘:
由于软件的最小安装空间需要900MB,全部安装则需要2.3GB的硬盘空间,所以计算机的硬盘空间至少3.0GB;
●显示器:
一般选择17寸或17寸以上的显示器;
●鼠标:
最好使用光电或机械三键滚轮式鼠标。
2.2.2操作系统设置
为了更方便地使用Pro/ENGINEER软件,安装软件前需要对计算机进行系统设置,主要包括环境变量和虚拟内存的设置。
设置方法如下:
图2-1任务栏与开始菜单图2-2系统属性
(1)鼠标右击任务栏,选择【属性】,系统显示如图2-1所示的对话框,在【[开始]菜单】中选择【经典[开始]菜单】,点击【确定】。
(2)返回桌面,右击我的电脑图标,点击【属性】,得到图2-2系统属性窗口,选择高级,点击环境变量,弹出环境变量对话框。
(3)环境变量对话框中选择【新建】,弹出“编辑用户变量”对话框,如图2-3所示。
图2-3编辑用户变量
(4)在变量名文本框中输入lang,变量值中输入chs,然后点击【确定】完成对环境变量的设置。
图2-4性能选项窗口图2-5虚拟内存窗口
(5)在图2-2所示的窗口中选择性能框中的【设置】,在弹出的对话框中选择【高级】,如图2-4所示。
在性能选项对话框中点击【更改】,弹出虚拟内存对话框,如图2-5所示。
(6)在初始大小文本框中输入1024(其值应至少达到物理内存的2倍),在最大值文本框中输入2048(其值应至少达到物理内存的4倍),设置完毕后,点击【确定】即可。
图2-6Pro/ENGINEER工作界面
2.2.3基本功能
Pro/ENGINEER系统安装完成后,双击桌面图标,回打开如图2-6所示的工作界面。
工作界面中包括主菜单、导航器、IE浏览器、图形显示区、模型工具栏、特征工具栏、特征元素工具栏、信息提示区、命令解释区、智能选取过滤器等。
(1)主菜单
主菜单位于窗口的顶端,集合了大量的Pro/ENGINEER操作命令,主要有以下功能:
管理设计模型文件、编辑设计模型、控制系统和设计模型的显示模式、插入各种组成单元、对设计模型进行数学分析、在标准模块与其它应用模块之间进行切换等等。
菜单如图2-7所示。
图2-7菜单栏
(2)工具栏
模型工具栏位于主菜单的下方,包含了Pro/ENGINEER用于模型操作的常用快捷方式,在不同的工作模式下显示的快捷图标有所不同,工具栏中的各按钮的功能与菜单栏中对应的命令功能相同,工具栏中的按钮可以通过【工具】|【定制屏幕】菜单命令进行个人定义。
如图2-8所示。
图2-8模型工具栏
(3)特征工具栏
特征工具栏位于窗口的右侧,它包含了Pro/ENGINEER中用于创建特征的常见快捷方式,在不同的工作模式下显示的快捷图标有所不同,特征工具栏中的按钮功能是创建不同的特征。
如图2-9所示。
图2-9特征工具栏
图2-10导航器图2-11浏览器
(4)导航器
导航器一般位于界面的左侧,如图2-10所示,单击
可以收缩关闭导航器,也可通过点击
来重新打开导航器,导航器的四个选项卡对应着四项基本功能:
1)模型树选项卡可以以树的形式显示模型的各基准、特征等信息;
2)文件夹浏览器选项卡可在其右侧的浏览器中显示该文件夹的所有文件,也可以新建或删除文件夹;
3)收藏夹选项卡可以收藏存储用户所选定的文件夹,也可以对其进行编辑;
4)连接选项卡可连接快速访问有关PTC解决方案的页面和服务程序。
(5)浏览器
我们可以通过浏览器可以访问网站和一些在线的目录信息,还可以显示特征的查询信息等。
如图2-11所示。
(6)命令提示栏
命令提示栏可以提示命令的执行情况和下一步操作的信息。
如图2-12所示。
图2-12命令提示栏
2.3三维实体建模过程
在proE中直齿圆柱齿轮是利用参数进行绘制的,在零件模式下,取消默认模板,使用公制尺寸模板,新建零件零件模型。
1使用front平面草绘4个任意半径的同心圆,确定,按“√”退出草绘。
2点击“工具—>参数”弹出参数设置框,点击“+”增加参数行,在“名称”列输入直齿圆柱齿轮的参数符号,在“值”列输入需要指定的参数值。
图2-13
其中:
m(模数)、z(齿数)、Prsangle(齿形角)ha(齿高)、c(齿隙系数)、width(齿宽)的参数值需要指定其值,其余如d(分度圆直径)、db(基圆直径)、da(齿顶圆直径)、df(齿根圆直径)使用关系式进行尺寸赋值。
参数设置完成后,点击“确定”关闭。
3点击“工具—>关系”弹出“关系”框,对齿轮的参数建立参数关系式。
3.1将鼠标移到至同心圆上,4个同心圆同时加亮,点击,显示同心圆的尺寸符号。
图2-14
3.2在“关系”栏中输入如下关系式,点击“确定”关闭窗口。
d=m*zdb=d*(cos(prsangle))da=d+2*m*ha
df=d-2*(ha+c)*m
D0=dD1=dbD2=daD3=df
4执行“编辑—>再生”,图形中通过关系式赋值的4个同心圆的直径确定,即d、
db、da、df的值,再次打开参数栏可以看到这4个参数已经被赋值。
图2-15
5绘制齿轮的渐开线
点击窗口“创建基准曲线”按钮,选取“从方程”,确定,选取坐标类型为圆柱坐标系后弹出程序运行框和记事本,在记事本中输入渐开线方程如下:
x=t*sqrt((da/db)^2-1)y=180/pir=0.5*db*sqrt(1+x^2)theta=x*y-atan(x)
z=0点击记事本“文件—>保存”后关闭记事本,在“曲线:
从方程”的右下角点击“预览”或直接确定,渐开线绘制成功。
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