偏航轴承的UG参数化设计及ANSYS有限元分析.doc

精品论文偏航轴承的 ug 参数化设计及 ansys 有限元分析周飞，刘衍平 华北电力大学动力系机械电子研究所，北京 (102206) e-mail: 摘要：本文详细阐述了在 ug 的建模模块中,利用表达式功能实现外圈带齿偏航轴承参数化设计和精确造型的过程，并准确建立了偏航轴承三维模型。然后将其导入 ansys 中，并 利用一种新型方法对外圈轮齿在啮合过程具体的载荷施加位置进行了准确定位。最终通过有限元分析得出轮齿的应力、应变状况，该结果对偏航轴承外圈的设计、改进提供了一定的参考价值。 关键词：ug；偏航轴承；三维建模；加载方案；有限元应力分析 中图分类号：tk223文献标识码： aparametric design and finite element analysis of yawingbearingzhou fei, liu yanpingmechanical and electrical research station, north china electric power university, beijing（102206）abstractin the modeling module of ug, the method of 3-d modeling and parametric design is described. thisarticle details the process for using the function of expression of ug to realize the parameterized designing and precise modeling for a yawing bearing, and establishes a 3-d model which is inputted ansys. in this software, it uses a new method to make sure the position that the pressure is forced is exact and elicit the stress situation. the research results has reference value to the optimization design and improving of the yawing bearing.keywords: ug; yawing bearing; 3-d modeling; load scheme; finite element stress analysis- 7 -0. 引言随着国家节能减排的号召，可再生能源 的充分利用显得越来越重要。而风能作为清 洁能源更是在近些年得到了广泛的应用，我 国拥有丰富的风能资源，这也就给我们大力 发展风力发电提供了非常有利的先天条件。 根据全国 900 多个气象站的观测资料进行估 计，中国陆地风能资源总储量约 32.26 亿 kw，其中可开发的风能储量为 2.53 亿 kw， 而海上的风能储量有 7.5 亿 kw，总计为 10 亿 kw，这是 10m 高度计算的，如果按 50m 高度计算，则还要增加一倍，风能利用有很 大潜力。然而由于风力发电在我国起步较晚，风 力发电设备及其零部件的生产遇到了种种 技术难题，导致迟迟不能实现国产化，尤其是各种轴承。目前,国内开发生产的风机轴承主要是变速器轴承和电机轴承,但性能和寿 命还达不到要求。因此,90%左右的变速器轴 承和电机轴承仍然依赖进口。偏航轴承总成 和风叶主轴轴承总成在国内除洛轴、瓦轴等 大型国有企业有少量试制外,很少有厂家生 产,基本属国内空白。国内目前的技术水平与 国外先进水平相比存在较大差距。本文主要利用大型三维建模分析软件 ug 对 1.5mw 级风力发电机的偏航轴承总 成进行了三维建模，并在此基础上应用一种 新型方法对外圈轮齿进行了更加准确的加 载和有限元分析。1. 参数化建模过程分析ug 是美国 eds 公司 推出的 集cad/cam/cae 于一体的软件系统。它提供了强大的实体建模功能，提供了高效能的曲面建构能力，能够完成复杂的实体造型设 计。其中包括了建模模块、装配模块和制图 模块等，可以方便的建立各种复杂结构的三 维参数化实体装配模型和部件详细模型，并 自动生成用于加工的平面工程图纸。本文以德国某公司 1.5mw 级风力发电 机所用偏航轴承为例，设计参数参照其进行 分析。该机组采用外圈带齿、四点接触球滚 子轴承，所以，该模型除了建立轴承内外圈 之外，还需要在外圈上进行参数化建立齿轮 模型。1.1 建立轴承外圈（1）建立轴承外圈。首先进入草图模式， 在 xoy 平面内，建立外圈轮廓图，然后绕 z 轴回转即得外圈实体（不带齿）如图 1 所示 1 。图 1 外圈实体（2）利用参数化建模功能，在外圈上建 立齿轮模型。1）在“表达式”对话框（如图 2 所示） 中依次输入各项参数名称及其值3 。需要输入的名称及公式依次为：齿数 z、模数 m、压力角 a、齿宽 b、分度圆半径 r、yt= rb *sin(s)- rb *rad(s)*cos(s)zt=0。图 2 “表达式”对话框2）生成 00 - 900 范围内渐开线，如图 3所示。图 3 渐开线3）创建基圆、分度圆、齿根圆、齿顶 圆，并生成齿槽轮阔。因为生成齿廓后需要 拉伸成实体与外圈实体进行布尔运算，所以 该齿廓需要做成一个封闭的曲线。由此，需 要创建一个圆心为原点、直径稍大于齿顶圆 直径的圆，使得其与两条渐开线能相交，通过修剪后如图 4 所示5 。齿顶圆半径 ra、基圆半径 rb 、齿根圆半径rf 、渐开线发生角 a0、渐开线终止角 ae、 齿根圆与 渐开线 之 间的过渡 圆角 r=pi()*m/8、ug 系统参数 t、渐开线参数方 程自变量 s=(1-t)*a0+t*ae。渐开线在 x、y、z 方向的参数方程分 别为：xt= rb *cos(s)+ rb *rad(s)*sin(s)图 4 齿槽平面轮廓4）创建外圈的基本实体及轮齿的三维实体模型,本文所创建的具体参数的外圈模 型如图 5 所示。创建完成后,该齿轮模型就形 成了参数化驱动模型,以后只要给出不同的 模数、压力角, 就可以自动生成三维齿轮实 体模型, 从而减少设计人员的重复性劳动, 提高设计效率。图 5 外圈模型1.2 将建立的模型导入 ansys由于该轴承为轴对称图形，而且外圈上 每个轮齿都是一样的，为了节省计算时间， 方便在 ansys 中的分析，只将该轴承外圈 的某一部分导入到 ansys 中进行分析。将三维模型保存为 parasolid 格式， 导入到 ansys，并在 ansys 中显示出实 体模型（如图 6）。图 6 ansys 中的外圈模型2. 有限元分析2.1 设置单元属性在前处理过程中首先应该设置单元 属性。单元属性是指在划分网格以前必须 指定所分析对象的特征，这些特征包括： 单元类型、实常数和材料属性。ansys 提供了近 200 种适用于不同 分析类型、不同材料和不同几何模型的单元，单元选择的正确与否，将决定其最后的分析结果。根据以往经验，由于该分析 重点针对轮齿部分，模型相对复杂，而且 在轮齿与齿根圆过渡部分的网格需要更 加细致的划分，所以采用四面体网格，采 用 structured solid tet 10 node 92 单元。对于一个结构分析，材料的特性是必须知道的。对于外齿的静力学分析，输入 弹性模量 e=2.1e11pa，泊松比 =0.3。2.2 几何模型的有限元网格划分有 限元网格 划分是建 立有 限元模 型 非常重要的一个环节，它将几何模型转化 为由节点和单元构成的有限元模型。为了 保证计算的精度，轮齿与齿根圆过渡部分 的网格需要进行细化处理。由此得到最终 的偏航轴承外圈轮齿有限元模型如图 7 所 示 7 。图 7 网格划分2.3 施加载荷在 ansys 中进行分析时，加载方案 的确定施很关键的一部分。针对齿轮，加 载方式可选择线载荷对线段加载和面载 荷（压强）对面进行加载。然而，由于齿 轮在啮合过程中其接触区域实际上是一个小面，且在 ansys 中线载荷对齿面的 作用方向亦很难精确定位，所以本文选用 面载荷对面进行加载。选择面载荷加载方式的关键是确定 加载位置和接触区域面积。由于该模型是 在 ug 中建立后导入 ansys 中的，通过ansys 中的坐标来确定具体加载位置是不可行的，但 ansys 中有对曲线按比例 划分的命令，所以在此确定加载位置所采 用的方法是：首先计算出齿轮齿廓渐开线 的总曲线长度 l，然后设定加载位置距离x = dxdy = dyd= rb cos,= rb sin 渐开线起始位置的曲线长度 lx ，通过比例值 = l x 来确定。齿轮啮合过程中接触（3）l = 122r d = r1 0l区域可看作一个长度为齿宽 b，宽度为轮 齿接触宽度 t 的微小矩形，所以其面积可所以（4） 0 bb2求。本文中外圈轮齿所承受的最大水平旋转力矩为 m =88knm，可求得轮齿所受下面确定 0 和 1 。对式（1）中两式平方相加化简得：bx 2 + y 2 = r 2 (1 + 2 )总载荷为 f=m x =58.62n。压力角 a= 20 0 ,ra（5）（令 2 = x 2 + y 2的几何意义为坐标原轮齿齿面所受法向压力为：fn = f cos a = 55.08kn 。由于风机运行环境比较恶劣，而且在运行过程中，偏航轴承要受力较为复 杂，所以需要考虑轴承外圈轮齿受载的各 种因素来确定它的计算载荷。其计算公式点到渐开线上任一点的距离，即为极径）， 则上式可变换为： 2r2 = 1b（6）为：fbnc = k a kv k k fn =107.97kn令 = rf= 1462.5mm ， 0 =0.33；2.3.1 确定渐开线长度齿轮轮廓渐开线的长度是基圆与齿顶圆所截得渐开线的长。渐开线在直角坐 标系中的参数方程为：x = rb cos + rb sin 令 = ra = 1501.2mm ， 1 =0.41；将 0 和 1 的值代入式（4）可得齿根圆与齿顶圆所截得渐开线的长度为：l = 41.35mm 。2.3.2 确定接触区域面积和面载荷大小齿轮在啮合过程中接触区域是一个 y = rb sin rb cos其中 rb 为基圆半径， 为参数。由曲线长度的积分公式：2（1）微小矩形面，其面积为：s = bt其中： b 为轮齿宽度，b=120mm；（7）2 1l = 0x + y dt 为两齿轮啮合时的接触宽度。 根据机械设计手册：（2）n其中， l 为渐开线长度， 0 为积分起始 角， 1 为积分终角；t = 1.128 式中：pr1 r2r1 + r21 v 2(1e11 v 2+2 )e2（8）r 1 、 r2 分别为相互啮合的两齿轮的分度圆半径；pn 为轮齿单位接触长度上的载荷； 1， 2 为两齿轮材料的泊松系数；e1 ， e2 为两齿轮材料的弹性模量。根据材料特性，取 1 = 2 = 0.3 ，而且e1 = e2 = e = 210gpa 。轮齿单位接触长度上的载荷可通过齿轮齿面所受法向压力和齿宽确定：图 8 应力云图p = fn nb= 899.73n / mm将 pn 、r 、 r 、 v 和 e 的值代入式（8），可得：12t=1.07mm由此计算出，接触面积：s = b t =128.75,所以面载荷的大小为：fn =s107.97kn128.75mm 2= 838.58mpa图 9 应变云图2.3.3 确定加载位置首先根据渐开线总长和两齿轮啮合 时的接触宽度将渐开线按长度进行平均分段，设渐开线共被分成 x t 段，则从图中可以看出，轴承外圈轮齿所受最大应 力为779.765mpa，小于其许用应力值915.254 mpa。最大变形为 0.84 10-10 m 。x = l = 41.35 = 38.6 ，取整 x =39。所该分析结果很好的解释了齿轮传动中齿体tt1.07t失效形式中的过载折断现象。为防止该现象以，当齿轮啮合时加载区域（微小矩形）x发生，需要改变轮齿的模数或增加过载安全装置等措施。可由比例值39确定。3. 结论2.4 求解及后处理利用 ansys 丰富的数图表后处理功 能，得到它的应力云图（如图 8 所示）、 变形云图（如图 9 所示）。通过本文从参数化建模到有限元分析 的研究，得出以下结论：（1）参数化建模的功能非常方便，利 用参数可以精确控制模型的轮廓。而且，任 何参数发生变化时，只需要在“表达式”对话 框中进行修改即可，不必再重新进行公式的 编辑等繁杂操作。（2）在 ug 中进行布尔运算的时候，必须保证曲线（面）的封闭性，否则将会出现“目标体在工具体外”的提示。（3）在 ansys 分析过程中，载荷施 加的准确性极大的影响最终的分析结果。本 文利用渐开线长度和某时刻接触宽度的比 值确定了加载的具体位置。利用 ansys 中 以线划分面的功能实现了载荷的准确定位， 使得分析结果与实际工作状况更加贴近。参考文献1 杜立彬，石勇，郭旭伟.精通 ug nx 4.0m.北 京：电子工业出版社，2006.2 肖爱民，潘海彬.三维机械设计实例教程m.北京：化学工业出版社，2007.3 白剑锋，贺靠团.基于 ug 的渐开线圆柱齿轮参 数化设计j.现代制造工程，2006（2）：118121.4 吕宁，洪雪，张冶.ug nx3.0 入门与