斜齿轮精确的参数化建模及有限元分析.doc

济南大学泉城学院毕业设计PAGE-PAGE27-1前言1.1国内外研究现状CAD是计算机科学与工程设计学科相结合的新兴学科，其行之有效的现代设计技术方法，使设计的产品能在激烈的市场竞争中取得较大优势。它的出现和发展不仅极大的提高了设计的效率和质量，同时也促进了生产力的巨大发展。CAD技术起步于20世纪50年代后期，最初名为计算机二维绘图技术，随着工业的发展，二维绘图逐渐被三维造型所替代，继而发展到现代先进的三维参数化造型设计技术，参数化造型已发展为CAD业界的主流，广泛的应用于工业设计的各个领域。目前，有用AutoCAD进行斜齿轮建模，方法是根据范成法的切齿原理在计算机上模拟“切削“出齿轮来，用编程来设计和自动绘制斜齿圆柱齿轮实体模型。还有用Solidworks三维软件强大的造型功能和二次开发功能进行渐开线斜齿轮三维精确建模。为得到精确的齿廓曲线，必须通过数学模型来描述齿廓的各段曲线，并结合UG中表达式强大的参数化功能实现斜齿轮的精确造型设计。还有的研究基于渐开线齿轮的生成原理，在pro/e中利用方程建立渐开线曲线进行斜齿轮快捷有效的准确造型，既克服了以往齿轮造型的繁琐，又对后续齿轮的有限元分析、运动仿真等有着重要的现实意义。渐开线圆柱齿轮是现代机械中的常用零件,主要有直齿轮、斜齿轮和人字齿轮。近年来随着数字化技术的发展,基于三维造型软件的齿轮参数化设计研究日益广泛和深入,关于直齿轮、斜齿轮、变位齿轮的造型方法等方面的研究也渐趋成熟。近年来随着我国改革开放的深入发展,特别是加入世贸组织以来,我国的齿轮研究制造业也有了长足的进步与发展。ANSYS是一个多用途的有限元分析软件，它包含前置处理、解题程序以及后置处理，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为现代工程学问题必不可少的有力工具。1.2选题的目的与意义目前对渐开线大都采用渐开线方程表达，这样构建的齿轮模型是粗糙的，对于结构复杂和精度要求高的斜齿轮而言会因粗糙而造成齿形严重失真，采用精确地齿轮渐开线和齿根过渡曲线方程以及参数化建模方法可以很好的解决以上问题。Pro/e具有基于特征的参数化建模功能，用参数化建模约束产品模型的形状特征，控制设计结果，并能经过修改相应设计参数，生成新的零件三维实体造型功效。利用ANSYS软件求解运算，通过对斜齿圆柱齿轮的应力分析，在保证强度的前提下，现有变速器齿轮可以减少尺寸，从而使变速箱结构更加紧凑，并且为齿轮设计提供了参考依据。而且通过三维实体造型软件与有限元分析软件的强强结合，充分发挥各自的优势，建立斜齿圆柱齿轮的三维实体模型并形成相应的有限元模型，加载求解，进行齿根弯曲应力等应力的分析，得出各应力的等值分布图，为斜齿圆柱齿轮的精确设计提供了可靠的理论依据和可行的方法。从而达到提高设计质量、增加齿轮可靠度的目的。1.3研究内容齿轮机构是现行机械中应用最广泛的一种传动机构，其结构紧凑、传动平稳、效率高等优点使其广泛应用于机械传动中。在CAD技术迅速发展的今天，齿轮建模工作依然十分复杂和繁琐，且修改极为不便，因此齿轮作为经常使用的通用机械零件，实现其快速建模就显得十分迫切和必要。利用参数化来建立模型是快速建模的一种有效途径，在设计和制造方便有着重要意义。本文基于Pro/ENGINEERWILDFIRE5.0(中文版)平台上进行斜齿圆柱齿轮精确的三维建模。通过修改齿轮基本参数，可以快速生成所需齿轮，从而大大提高设计效率。然后将pro/e中的三维模型导入ANSYS有限元分析软件中，对齿轮进行有限元网格划分，然后对齿轮施加约束和载荷，利用ANSYS的强大求解功能求解齿轮所受的应力，为进一步齿轮传动的优化设计提供重要的依据。论文的研究内容及章节安排如下：（1）第一章前言：阐明了本论文的研究背景和选题意义，介绍了国内外相关领域的研究现状。（2）第二章斜齿轮齿廓曲线形成原理：主要讲述齿轮渐开线的形成过程，渐开线的直角坐标系方程，法面参数和端面参数的转换以及齿廓过渡曲线创建的条件和原因。（3）第三章斜齿轮在Pro/E中精确的参数化建模：阐述了在Pro/E中基本参数的设定，其它参数用关系式来控制，输入渐开线方程形成精确的渐开线，然后进行齿廓曲线的形成，进行第一个齿槽的建立并阵列齿槽，之后进行斜齿轮其余特征的修饰，最后完成斜齿轮的建立。（4）第四章有限元分析：阐述了Pro/E中的斜齿轮模型导入ANSYS中，进行重新定义、划分网格、施加约束和载荷，最后进行计算和后处理。进而得到应力、应变等值图进行分析。（5）第五章结论：总体总结了本文所做的工作，以及从中得到的经验和结论，还有本文中利用Pro/E进行精确建模和用ANSYS分析的优势和意义。2斜齿轮齿廓曲线形成的基本原理2.1渐开线的形成原理AKBO321图2.1渐开线的形成示意图1.基圆2.发生