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基于Pro/E精确建模的渐开线斜齿轮设计及应力有限元分析

作　者: 宫晓凯
导　师: 李茂廷
学　校: 天津科技大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 斜齿轮参数化有限元分析 ANSYS
分类号: TH132.413
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 9次
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内容摘要

现在的齿轮传动作为工程中最为常见的传动形式,无论是在国内还是在国外,现在人们都对齿轮强度方面的设计和强度校核作为研究的重中之重。在有限元还没有诞生的时候,人们在齿轮强度方面的设计和强度校核的方法上相对而言还是比较粗略的,并且在工作量上不仅很繁琐而且最主要的是不能满足现在状况的发展要求。本文就结合三维软件PRO/E跟有限元分析软件ANSYS相互结合来确定斜齿轮的应力问题作了详细的研究,从而使我们在为以后的渐开线斜齿轮的优化设计、校核和计算提供了方法指导。本文主要是利用有限元软件ANSYS来分析斜齿轮的强度问题,由于在有限元软件ANSYS中建模是相当复杂的一个过程,所以采用了三维造型软件Pro/E来对斜齿轮的精确建模,为了避免重复建模的复杂性,本文就在三维造型软件Pro/E中对斜齿轮的建模进行了参数化设计过程,也就是我们可以更改斜齿轮的一些参数后,点击一下重新生成按钮,系统就会自动生成新的齿轮,从而当我们在对斜齿轮进行有限元分析时,就不用重复性的来对斜齿轮进行建模,这样也就大大提高了我们对斜齿轮设计时的精确度和效率。为了将模型从PRO/E中精确的导入到ANSYS中,本文利用了这两种软件之间的专用接口,这样保证了斜齿轮在有限元软件中的精确度,导入后,利用有限元对斜齿轮进行分析,分别从二个角度分析,一是斜齿轮的静力学分析,二是对一对斜齿轮的非线性接触分析。为了对模型进行简化,在对斜齿轮的齿根进行应力分析时,我们对斜齿轮进行了边界范围上的选择,同时对一对啮合的斜齿轮轮齿的整个过程作了受力分析。根据斜齿轮轮齿的啮合特点以及不同的啮合区其所受到的受载状况不同,分析出齿根处是齿轮在加载时最弱的位置,从而对原齿轮模型的齿根过渡圆角半径重新进行有限元分析,来揭示齿根过渡圆角半径对齿根应力的影响。在接触分析中由于摩擦力对齿面的接触应力影响很大,所以在接触分析中考虑摩擦系数对齿面接触应力的影响。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
1 绪论  8-14
  1.1 课题背景  8
  1.2 齿轮强度计算方法的发展  8-12
    1.2.1 齿轮刚度的理论计算方法  9-12
  1.3 本文的主要研究内容和意义  12-14
    1.3.1 本文研究的内容  12
    1.3.2 本文研究的意义  12-14
2 有限元方法的基本原理  14-23
  2.1 引言  14
  2.2 有限元的基本概念  14-16
  2.3 有限单元法的对静力学问题的分析  16-21
    2.3.1 单元刚度矩阵的建立  16-21
    2.3.2 解有限元方程计算应力  21
  2.4 本章小结  21-23
3 斜齿轮的数学模型及三维参数化造型  23-37
  3.1 引言  23
  3.2 Pro/e概述  23-24
  3.3 渐开线齿廓的数学建模及绘制  24-36
    3.3.1 渐开线方程及螺旋线方程  24-27
    3.3.2 斜齿轮的设计分析  27-28
    3.3.3 设置斜齿轮的参数  28-29
    3.3.4 创建斜齿轮参照圆关系式  29
    3.3.5 创建渐开线齿廓曲线  29-31
    3.3.6 创建第一个齿廓特征  31-32
    3.3.7 草绘扫描轨迹  32
    3.3.8 创建投影曲线  32-33
    3.3.9 创建齿槽  33-34
    3.3.10 创建修饰特征  34-35
    3.3.11 斜齿轮的参数化程序设计  35-36
  3.4 设计实例  36
  3.5 本章小结  36-37
4 渐开线斜齿轮的静力学分析  37-53
  4.1 渐开线圆柱齿轮齿根弯曲应力计算概述  37-38
  4.2 静力学分析流程  38-39
  4.3 有限元模型的建立  39-41
    4.3.1 模型的简化  39-40
    4.3.2 建立齿轮模型  40-41
  4.4 网格划分  41
  4.5 单元类型的选择和网格划分  41-46
    4.5.1 单齿啮合区端面高点的确定  43-44
    4.5.2 罪恶加载线的确定  44-45
    4.5.3 确定载荷的大小和方向  45-46
  4.6 有限元分析计算  46-49
    4.6.1 齿轮有限元计算结果  46-49
  4.7 齿轮有限元计算结果分析  49-52
  4.8 小结  52-53
5 渐开线斜齿轮的非线性接触分析  53-64
  5.1 引言  53
  5.2 赫兹接触理论  53-54
  5.3 齿轮接触分析步骤  54-55
  5.4 建立接触分析模型  55-56
  5.5 单元类型的选择及网格划分  56-57
  5.6 利用接触向导生成接触  57-59
    5.6.1 识别接触对  57-58
    5.6.2 定义目标面和接触面  58-59
  5.7 加载并求解  59-60
  5.8 后处理观察及分析结果  60-63
    5.8.1 应力及位移图  60-63
    5.8.2 与传统方法的比较  63
  5.9 小结  63-64
6 结论与展望  64-66
  6.1 本文研究的重点及结论  64-65
  6.2 进一步的工作展望  65-66
7 参考文献  66-72
8 攻读硕士期间论文发表情况  72-73
9 致谢  73

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