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齿轮的参数化建模与有限元分析研究

发布于:2016-11-21 20:31
有限元分析

      齿轮是现代机械传动中重要的传动件。在进行齿轮的分析设计时,不但要保证齿轮齿形准确,而且还要保证齿轮有足够的强度,以至于在整个使用寿命中能够正常的工作,不发生失效,目前人们广泛采用有限元分析来对齿轮进行强度校核。齿轮建模的不准确和有限元分析的部分数据丢失,直接影响该齿轮有限元分析的准确性。利用微软 Excel采集齿廓曲线的数据,准确的完成齿轮的三维实体造型。
      同时利用SolidWorks的Simulation插件对齿轮进行有限元分析,将齿轮的建模和分析无缝集成一体进行研究,避免部分数据丢失和不准确的现象,对以后的研究提供理论依据。
      当用双圆角齿条型刀具加工时,渐开线齿轮的齿廓曲线由渐开线、齿根过渡曲线和齿根圆弧三段组成。齿廓渐开线是齿廓的啮合接触线所在部分,精确的建立渐开线才能保证齿轮的准确啮合,过渡曲线尽管不在齿轮的啮合线部分,但如果过渡曲线与渐开线衔接不连续,会出现较大的应力集巾,特别是在进行有限元分析时,轮齿曲线的准确度直接影响有限元分析结果的正确性和可信度。
      齿轮的三维模型建立是在生成齿廓曲线的基础上通过拉伸、阵列等一系列命令完成齿轮的精确模型,验证了齿轮模型的齿廓曲线是由渐开线、齿根过渡曲线和齿根圆弧三段组成。
      为了更清楚地了解所设计齿形的准确性和力学性能,有必要对所设计的齿轮进行有限元分析。Simulation作为SolidWorksApp中的插件,具有计算速度快、解题时占用磁盘空间少、简单易学等优点,在SolidWorksApp建模无需格式的转换就可以进行有限元分析,故选用Simulation进行分析。利用此插件对齿轮的应力、位移进行有限元分析,确定齿轮的最大应力和应变值与位置,分析所设计的结构参数和材料性能是否满足使用条件,实现齿轮设计的优化,避免浪费。
      零件的力学性能取决于其构成的材料,可以从Simulation自带的材料库中挑选材料,应用于实体。此处选择齿轮的材料为普通碳钢。
      对齿轮进行静态有限元分析,定义齿轮的轴孔为约束面,对其进行X,Y,Z三个方向的平动和转动进行约束。齿面为载荷面,施加的载荷类型为压力,压力的大小为1000N/m2。
      有限元解的精度取决于划分网格的质量。一般而言,网格越精细,精度越高。App中的“网格控制”选项组选择“自动过渡”,有限元分析程序会对模型的细小特征、孔圆角以及其他细节自动应用网格控制。通过彩云图来显示应力、应变和位移图的分布,图形的颜色变化反映了齿轮的应力、应变、位移的分布情况,以不同的颜色来表示不同范围的应力值。右方的颜色滑杆所对应的数值以及颜色分布与左图中的颜色所对应。这些彩云图形象逼真地体现了齿轮内部的应力应变的变化规律厂应力、应变以及位移。
      在载荷的作用下,轮齿各点应力的变化规律,最大应力集中在轮齿的齿根处,约为3926.31 N/m2,远远小于齿轮材料的屈服强度极限,故齿轮满足强度分析的要求,因此在1000N/m2的压力卜该材料的齿轮是安全的。齿轮在传递载荷时,齿根处所受的弯矩最大,弯曲应力最大,最为薄弱。这个情况与实际基本相符。齿轮的最大应力、应变、位移值及位置。
      齿轮建模与分析有助于更好了解齿轮设计的准确性及其力学性能。根据齿轮的参数创建高精度的齿轮模型,利用Simulation插件对齿轮进行分析,可以边设计边分析。该方法集齿轮建模和分析于一体,可确保齿轮三维建模的准确性,为以后的研究提供理论参考。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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