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2.5齿轮参数化建模…………………………………………………………………………8
2.5.1建模过程………………………………………………………………………………8
2.5.2建立族表………………………………………………………………………………20
3有限元分析………………………………………………………………………………21
3.1简介………………………………………………………………………………………21
3.1.1ANSYS软件概述………………………………………………………………………21
3.1.2齿轮有限元分析思路…………………………………………………………………22
3.2导入齿轮模型………………………………………………………………………22
3.2.1齿轮模型的导入的方法………………………………………………………………22
3.2.2设置PRO/E4.0与ANSYS10.0之间的接口……………………………………………23
3.3有限元网格划分………………………………………………………………………24
3.3.1定义材料属性、单元类型………………………………………………………………25
3.3.2网格划分方法…………………………………………………………………………25
3.3.3网格密度的控制………………………………………………………………………28
3.4添加约束条件……………………………………………………………………………29
3.5施加载荷………………………………………………………………………………29
3.6求解与结果分析…………………………………………………………………………30
3.6.1求解……………………………………………………………………………………30
3.6.2结果查看………………………………………………………………………………32
结论…………………………………………………………………………………………34
谢辞…………………………………………………………………………………………35
参考文献……………………………………………………………………………………36
摘要:
齿轮传动作为工程中最为常见的传动形式,其强度设计和强度校核十分必要和重要。
但由于影响齿轮强度的因素众多,齿轮强度计算衍变为一个涉及多学科的复杂工程问题。
参数化设计对于形状大致相似的一系列零部件,只需修改相关参数,便可生成新的零部件,从而大大提高设计效率。
在Pro/E中,通过参数化建模的方法,生成齿轮的完整渐开线齿廓,采用特征操作方法生成了渐开线齿轮的三维实体模型。
然后建立Pro/E与ANSYS10.0的接口,将模型导入。
在ANSYS软件中实现了渐开线齿轮“网格剖分、载荷施加、求解计算”的全过程参数化,实现了CAD与CAE的一体化,极大地提高了工程设计效率。
ANSYS设计数据接口程序提供完全与设计数据相关联的分析方案,并能通过良好的用户界面完成分析。
利用ANSYS的数据接口,可精确的将在CAD系统下生成的几何数据传入ANSYS,而后准确地在该模型上划分网格并求解。
关键词:
齿轮设计;
参数化建模;
有限元分析
Gearparametricdesignandfiniteelementanalysisforbendingstrength
Abstract:
Geartransmissionasthemostcommonformoftransmissionintheworks,thestrengthofdesignandstrengthcheckofaverynecessaryandimportant.However,duetomanyfactorsaffectingthegearstrength,gearstrengthcalculationEvolutionisacomplexengineeringproblemsinvolvingmulti-disciplinary.Parametricdesignfortheshapeisroughlysimilarrangeofcomponents,onlyamodificationoftherelevantparameters,cangeneratenewparts,thusgreatlyimprovingthedesignefficiency.BythemethodofparametricmodelinginPro/E,generatetheintegrityofthegearinvolutetoothprofile,theuseofcharacteristicmethodsofoperationtogeneratea3Dsolidmodelofinvolutegear.ThencreateaPro/EandANSYS10.0interface,importthemodel.InvolutehelicalgearsmeshinginANSYS,loadisappliedtosolvecalculationofthewholeprocessparameterstoachievetheintegrationofCADandCAE,whichgreatlyimprovesengineeringdesignefficiency.ANSYSdesigndatainterfaceprovidesafullyassociatedwiththedesigndataanalysisprogram,andthroughagooduserinterfacetocompletetheanalysis.UsingANSYSdatainterface,canbeaccuratelygeneratedintheCADsystemgeometricdataintoANSYS,thenaccuratelyonthemodelmeshingandsolving.
Keywords:
Geardesign;
parametrizationmodelling;
finiteelementanalysis
1概述
1.1齿轮参数化设计
齿轮是一种通用的传动机构,有特殊的设计和加工技术,其加工精度对传动精度、机械的稳定性等有重要影响,因此实现齿轮的精确建模是后续研究的重要保证。
齿轮传动是机械设备中应用最广泛的动力和运动传递装置,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。
齿轮啮合的力学行为和工作性能对整个机器有重要影响。
随着机械行业的不断发展,各种精密机床不断被研发,对齿轮的成形精度有了越来越高的要求。
为了精确模拟齿轮的实际成形过程,就要求对齿轮进行精确的三维建模。
目前国内使用的三维CAD软件种类很多,高端的有Pro/E、CATIA、I-DEAS、UG等,中、低端的有SolidEdge、Pro/E、国产CAXA等。
本文主要阐述基于Pro/E的齿轮参数化设计及有限元分析。
Pro/E是一个优秀的机械CAD/CAE/CAM一体化高端软件,它基于完全的三维实体复合造型、特征建模技术,能设计出任意复杂的产品模型。
再加上技术上处于领先地位的CAM模块、内嵌的CAE模块,使CAD、CAE和CAM有机集成,可以使产品的设计、分析和制造一次完成。
使我们能够数字化地创建和获取三维产品定义。
我们可以通过修改零件的特定参数和属性,然后根据相关联的尺寸表达式的作用而引起整个模型的变化,从而可得到所需零件。
在参数化设计过程中,主要有两种参数即自变参数和因变参数。
因变参数是由自变参数通过特定的表达式来决定的,而自变参数的确定则是工程中所规定的零件的参数。
比如齿轮,工程上所定义的自变参数有齿数、压力角、螺旋角、模数和齿宽等,因变参数有基圆、分度圆、齿顶圆、齿根圆等。
用户只须输入以上齿轮自变参数,便可得到所需齿轮,从而快速完成齿轮的建模。
1.2齿轮弯曲强度有限元分析
实际工程中有大量的问题,如力场等是呈匀态连续变化的。
利用有限元分析法可以将研究对象离散成有限多个单元体,通过分析得到一组代数方法,进而求得近似解。
由于单元可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸,所以有限元分析法能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件。
有限元分析总体上可分成三个部分:
前处理部分,分析计算部分以及后处理部分。
前处理部分主要是生成有限元模型,对几何模型进行网格划分,得到有限元模型的相关数据:
分析计算部分根据有限元模型的数据文件进行有限元分析:
后处理部分是有限元计算后输出结果的加工阶段,主要包括数据输出和图形显示。
由于后两个阶段采用批处理方式和单纯的输出显示,所以人工干预不多,相比之下最繁重的工作还在于前处理阶段,即确定特定分析对象的关系和建立模型,包括节点数、节点编码,因此将重点工作放在前处理过程中。
通过Pro/E工具对当前齿轮有限元分析方法进行适当补充,以提高其分析精度和有效性,从而引伸到其他机械零件的有限元分析工作中,即利用三维设计软件进行精确的三维造型,并通过标准数据接口或数据接口转入分析系统,将模型以Pro/E、STEP、DXF或IGES格式读入有限元分析软件ANSYS10.0中,然后用有限元分析软件进行精确计算。
2齿轮参数化设计
2.1开发工具概述
PRO/E是美国PTC公司的标志性软件。
自1988年问世伊始,即引起CAD/CAM即的极大震动,10年间已成为全世界及中国地区最普及的3DCAD/CAM软件。
它提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关及工程数据在利用等概念改变了MDA(MechanicalDesignAutomation)的传统观念,这种全新概念己成为当今世界MDA领域的新标准。
PRO/ENGINEER广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽机车、自行车、航天、家电、玩具等各行业,可谓是个全方位的3D产品开发软件,其新版本WILDFIRE2.0更是集合了零件设计、产品组合、模具开发、NC加工、板金件设计、铸造设计、造型设计、逆向工程、自动量测、机构仿真、应力分析、产品数据库管理等功能于一体,功能强大,范围广泛。
齿轮机构是在各种机构中应用最为广泛的一种传动机构。
Pro/E作为机械行业设计的三维CAD软件,它提供了强大的参数化、基于特征的实体造型技术,在机械设计,模型设计行业被广泛使用。
能与ANSYS、ADAMS等多种软件良好结合进行建模和仿真。
由于在Pro/E中实体模型可以有多种不同的生成方法,采取何种方法更为合理、高效,需要有一个经验积累过程。
一般来说,要根据图形的形状选择生成模型的方式。
草图绘制尽量简化,最好不要绘制过渡圆角、倒角等非关键性信息。
首先主要是利用Pro/E中的拉伸、旋转、扫描、阵列等基本操作建立工作装置三维实体模型。
PRO/E软件是比较理想的参数化造型工具。
另外,它与ANSYS软件有专门的数据接口,通过这个接口把模型数据导入到ANYS软件中,不仅方便、而且效果十分理想。
2.2齿轮的设计过程
由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力。
因此,按齿根弯曲强度计算所得到的模数,圆整成标准值后,即为齿轮模数。
进而可计算出小、大齿轮的几何参数(齿数、齿宽、中心距等)。
这样设计出的齿轮传动,经过校验满足了齿根弯曲疲劳强度,并能做到结构紧凑,避免浪费。
Pro/Engineer是一个功能定义系统,即造型是通过各种不同设计专用功能来实现,其中包括:
筋(Ribs)、槽(Slots)、倒角(Chamfers)和抽空(Shells)等,采用这种手段来建立形体,对于工程师来说是更自然,更直观,无需采用复杂的几何设计方式。
这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸,不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体,这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系,任何一个参数改变,其也相关的特征也会自动修正。
这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。
参数化设计方法作为一种全新的设计方法现已广泛用于工业界,充分运用Pro/E软件的参数化技术,实现渐开线齿轮的三维参数化建模已广泛应用。
2.3齿轮计算机辅助设计的实现
利用PRO/E可以方便地实现齿轮设计的参数化,从而大大提高设计效率。
当用户在PRO/E中对齿轮进行三维建模时,会以程序的形式记录了齿轮的主要设计步骤和尺寸参数列表,用户可以根据需要对程序进行修改。
这样只要用户重新运行这个程序并变更齿轮的参数就可以生成新的齿轮,从而使不熟悉三维建模技巧的设计人员也可使用现有的三维齿轮模型进行更新设计,减少繁琐复杂的重复劳动。
齿轮设计在PRO/E环境中,需要利用PRO/E实现齿轮设计计算。
PRO/E是一个允许程序访问并影响PRO/E对象模型的程序集,同时提供一个PRO/E所共容的编译和链接程序的方式。
2.4参数化建模的方式
参数化设计方法使设计者构造模型时可以集中于概念设计和整体设计,充分发挥创造性,提高设计效率。
其主要思路如图2-1所示,通过对产品建模特征的解析,从特征中抽象出特征参数,再对特征参数进行分析,得到参数模型。
根据模型信息建立参数间关联与约束,并确定某些参数为设计变量,进而建立由设计变量驱动的零件族。
通过参数化的方法建立零件,可以方便零件族的实现及其管理操作,可以实现设计中大量重复、改进型设计效率的提高。
参数化设计是基于参数化模型的一种设计方法,即在设计过程中利用模型参数的变化得到具有不同参数的模型。
图2-1参数化建模思路
参数化设计在产品系列设计中具有重要的应用。
目前,参数化设计方法具有以下几种:
2.4.1基于模板的设计方法
事先生成零件的参数化模型,建立需要的几何约束和尺寸关系,并按一定方式储存作为新的设计模板。
当需要设计相似零件时,可以调出需要的零件,并按设计要求修改驱动尺寸,驱动模型变化,并将变化后的模型另存为新的零件模型。
这种方式实际上是对已有模型进行编辑,直接利用现有模型生成新模型的一种方式。
它的适应性强,变化方式多。
2.4.2基于程序的设计方法
这种方法是通过对CAD系统的二次开发,形成专用的用户应用程序,并在程序中调用模型生产命令和建立模型的尺寸关系。
当运行应用程序时值,只需对规定的尺寸参数赋予具体的尺寸值,便可直接生产需要的模型。
这种方式是采用三维模型和程序控制相结合的方式,根据零件或组件的设计要求,预定义一组能控制三维模型形状和拓扑关系的设计参数集合。
当运行应用程序时,以人机交互方式修改参数,通过参数化尺寸驱动直接生成需要的模型。
Pro/E允许开发者根据客户的特殊需要来进行扩充和修改。
利用Pro/E建模时,Pro/Program会产生特征程序,它记录着模型树(modeltree)中包括各个特征的建立方法、参数设置、尺寸以及关系式约束等在内的每个特征的详细信息,可以通过修改和添加特征的program来生成基本参数相同的模型库。
这种方式的自动化程度高,建模速度快,共享性大,但编程工作量大。
对于标准件、常用件和模具等应用较多的模型,利用这种方式具有很高的建模效率。
2.4.3基于表格的设计方法
如果某些零件结构一样,只是尺寸不同,那么这些零件就不必一一建立。
可首先建立一个父零件,定义控制零件大小的各个参数,在设计时通过改变各个参数的值来得到所需要的衍生零件,从而建立一系列的零件,这些零件组成的集合称为族表。
采用族表技术可以方便快捷地达到设计目的。
在建立父零件时应注意以下两个问题:
⑴父零件一般采用同类型零件中尺寸最大的零件;
⑵父零件应包含同类型零件的所有特征。
基于表格的设计方法属于CAD软件的内嵌功能,其特点是无需编写、编译和调试程序,工作量小,简单易用,但是不如基于程序的设计方法功能强大和用户化。
2.5齿轮参数化建模
齿轮是机械工业中广泛使用传递两相交轴之间运动和动力的重要基础零部件,它的绘图工作繁杂费时。
而这类零件大部分具有相似的结构和形状,在新产品的设计和图纸绘制过程中,不可避免要反复修改,进行零件形状、尺寸的综合协调和优化。
因此,应用参数化建模技术有非常重要的经济效用和现实作用,对于提高设计效率和保证设计质量也具有重要意义。
首先,按设计要求确定齿轮的相关参数,如表2-2所示为齿轮各参数:
M(法向模数)、Z(齿数)、AFPH(压力角)、HAX(齿顶高系数)、CX(顶隙系数)、B(齿宽)、HA(齿顶高)、HF(齿根高)、X(变位系数)、DA(齿顶圆直径)、DB(基圆直径)、DF(齿根圆直径)、D(分度圆直径)等。
表2-1圆柱齿轮参数
名称
类型
值
说明
M
实数
2.000000
模数
Z
整数
25
齿数
ALPHA
20.000000
压力角
HAX
1.000000
齿顶高系数
CX
0.250000
顶隙系数
B
30.000000
齿宽
HA
——
齿顶高
HF
齿根高
X
0.000000
变位系数
DA
齿顶圆直径
DB
基圆直径
DF
齿根圆直径
D
分度圆直径
表中“——”表示该系数由关系式决定。
2.5.1建模过程
⑴新建零件:
chilun0001。
⑵设置尺寸参数:
单击菜单“工具”——参数,在参数对话框中添加尺寸的各个参数,如图2-2所示。
图2-2参数对话框
⑶绘制齿轮基本圆:
选取FRONT平面为草绘平面,单击草绘按钮,进入到二维草绘,在草绘平面内绘制认知尺寸的四个同心圆,如图2-3所示,确定,退出草绘模式。
图2-3齿轮基本圆
⑷创建齿轮关系式,确定齿轮尺寸:
①在“工具”主菜单选取“关系”选项,打开关系对话框。
②在关系对话框中分别添加齿轮的分度圆直径、基圆直径、齿根圆直径以及齿顶圆直径的关系式(如图2-4所示),通过这些关系式以及已知的参数来确定上述参数的数值。
图2-4关系式
③接下来将参数与图形上的尺寸相关联。
在图形上单击选择尺寸代号,将其添加到【关系】对话框中,再编辑关系式,添加完毕后的【关系】对话框如下图所示,其中为尺寸sd0、sd1、sd2和sd3新添加了关系,将这四个圆依次指定为基圆、齿根圆、分度圆和齿顶圆,如图2-5所示。
④在【关系】对话框中单击确定按钮,系统自动根据设定的参数和关系式再生模型并生成新的基本尺寸。
最终生成如图2-6所示的标准齿轮基本圆。
⑸创建齿轮轮廓线:
①在右工具箱中单击“基准曲线”按钮打开【曲线选项】菜单,在该菜单中选择【从方程】选项,然后选取【完成】选项。
②系统提示选取坐标系,在模型树窗口中选择当前的坐标系,然后在【设置坐标类型】菜单中选择【笛卡尔】选项。
系统打开一个记事本编辑器。
③在记事本中添加如图2-7所示的渐开线方程式,完成后依次选取【文件】/【保存】选项保存方程式,然后关闭记事本窗口。
图2-5添加基本圆
图2-6标准齿轮基本圆
图2-7渐开线方程
④单击【曲线:
从方程】对话框中的确定按钮,完成齿轮单侧渐开线的创建。
生成如图2-8所示的齿廓曲线。
图2-8齿廓曲线
⑤创建基准点PNT0。
在右工具箱中单击“基准点”按钮打开【基准点】对话框,选择图2-9所示的两条曲线作为基准点的放置参照(选择时按住CTRL键)。
图2-9创建基准点PNT0
⑥创建基准轴A-l。
在右工具箱中单击“基准轴”按钮打开【基准轴】对话框,选取TOP和RIGHT基准平面作为放置参照(选择时按住CTRL键)。
⑦创建基准平面DTM1。
在右工具箱中单击基准平面按钮打开【基准平面】对话框,选取前面已经创建的基准点PNT0和基准轴A-1作为参照(选择时按住CTRL键)。
创建图2-10所示的基准平面。
图2-10创建基准平面DTM1
⑧创建基准平面DTM2。
在右工具箱中单击基准平面按钮打开【基准平面】对话框,在参照中选择基准平面DTM1和基准轴A_1作为参照(选择时按住CTRL键),然后在【旋转】文本框中输入“-360/(4*z)”,如图2-11所示。
图2-11创建基准平面DTM2
⑨在【工具】主菜单中选取【关系】选项打开【关系】对话框,在模型树单击上一步创建的“DTM2”基准平面,此时将显示如图所示的角度参数,单击该尺寸将其添加到关系对话框,并完成关系式“d8=360/(4*z)”。
关闭【关系】对话框。
⑩镜像渐开线。
在工作区中选取已创建的渐开线齿廓曲线,然后单击右工具箱中的“镜像”按钮,选择基准平面DTM2作为镜像平面,镜像渐开线后的结果如图2-12所示。
图2-12镜像渐开线后的结果
⑹创建齿顶圆实体特征:
①在右工具箱中单击拉伸按钮,打开设计图标板,在图标板中单击定义放置打开【草绘】面板,单击“定义”按钮打开【草绘】对话框,选择基准平面“FRONT”作为草绘平面,其他设置接受系统默认参数,最后单击“草绘”钮进入二维草绘模式。
②在右工具箱中单击“通过边创建图元”按钮打开【类型】对话框,选择其中的【环】单选按钮,然后在工作区中选择齿顶圆作为草绘剖面,最后在右工具箱中单击确定按钮,退出二维草绘模式。
③在图标板中设置拉伸深度为B,系统弹出对话框,单击是按钮确认引入关系式。
单击完成按钮完成齿顶圆实体的创
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