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基于proe的齿轮减速器设计与动态仿真,基于,proe,齿轮,减速器,设计,动态,仿真
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毕业论文 齿轮减速器的设计与动态仿真学 院 机械工程学院 专业年级 机子专升本082 学 号 0815092065 学生姓名 王华 指导教师 何勇 评阅老师 2010年5月II 齿轮减速器设计及动力学仿真王华（陕理工机械工程学院机自专升本082班 陕西 汉中 723003） 指导教师：何勇【摘要】： 本文在虚拟样机技术理论的指导下，在国外高新软件CAD/CAE/CAM特征造型工具Pro/E (PRO/ENGINEER )、有限元分析软件ANSYS集成系统基础上，对圆柱齿轮减速器进行了研究。首先利用Pro/E软件对其进行了三维参数化建模和装配，并进行了运动学分析，验证了模型的正确性和合理性;然后利用有限元分析元件ANSYS对圆柱齿轮减速器的关键零部件齿轮、轴等进行了有限元静力学和动力学分析，校核了其各项性能，为优化设计提供了理论依据;最后利用有限元分析软件ANSYS对输出轴进行了优化设计，并阐述了利用虚拟样机技术对圆柱齿轮减速器进行系统优化设计的理论思想和方法。【关键词】:虚拟样机技术、齿轮减速、有限元分析、仿真Software in the nowadays world-Pro/E (Pro/ENGINEER) and ANSYS(the finite element analysis software)Author：Hua Wang(Grade 08,class2,Major,Shaanxi University of Technology,Hanzhong,723003,Shaanxi)Tutor: Yong He【Abstract】: This paper studies and the optimization designing of The Cylindrical Gear Reducer. With the advanced。First, the 3D models of the Reducer is built up with the software Pro/E realizing 3D parameterized modeling, and the 3D assembly models are built up accordingto related assembly character, and validates the correctness of the models bydong the kinematics analysis. Then the dynamics analysis is made for calculatingforces on the gears and axes, which are the boundary conditions for the FEA.Based the boundary conditions, the FEA static and dynamics analysis of the key A parts of the Reducer-gear and axe is made with the FEA software ANYSY. Theseanalysises provide the theory bases for the optimization designing by severalcharacteristics testings. In the end, the optimization designing of the axe is did with the FEA software ANSYS and the method and theory of the system optimization designing is expatiated. The method and theory used in this paper can also be used in other products and systems.【Keywords】: Cylindrical Gear Reducer、the finite element analysis、Simulation目录1 绪论41.1 本设计的目的及意义41.2 减速器的发展状况51.3 减速器的发展趋势52 传动装置总体设计62.1 确定传动方案62.1.1 电动机的容量选择72.1.2 电动机转速的选择82.1.3 电动机型号的确定82.1.4 传动比的分配92.1.5 传动系统的运动和动力参数计算92.2 传动零件的设计102.2.1 高、低速级齿轮的参数计算102.2.2 齿轮结构设计及绘制齿轮零件图162.3轴及轴承装置的设计计算172.3.1轴的设计172.3.2轴的校核212.3.3 轴承的寿命计算312.4 箱体上个部分尺寸计算；323 Pro/E三维参数化设计353.1概述353.2建立模型363.3基于Pro/E的圆柱齿轮减速器装配过程393.3.1产品装配过程393.3.2减速器机构运动仿真413.4选择“测量结果”以图形方式查看位置结果424 减速器关键零部件的有限元分析434.1 ANSYS的简介434.1.1 ANSYS10.0的新特点444.1.2 ANSYS软件功能模块444.2 ANSYS分析主要步骤454.3结构静力分析464.4模态分析简介474.5输出轴有限元静力学分析474.6大齿轮模态分析50参考文献52设计小结53致 谢541 绪论随着社会的发展和人民生活水平的提高，人们对产品的需求是多样化的，这就决定了未来的生产方式趋向多品种、小批量。在各行各业中十分广泛地使用着齿轮减速器，它是一种不可缺少的机械传动装置. 它是机械设备的重要组成部分和核心部件。目前，国内各类通用减速器的标准系列已达数百个，基本可满足各行业对通用减速器的需求。国内减速器行业重点骨干企业的产品品种、规格及参数覆盖范围近几年都在不断扩展，产品质量已达到国外先进工业国家同类产品水平，承担起为国民经济各行业提供传动装置配套的重任，部分产品还出口至欧美及东南亚地区，推动了中国装配制造业发展。1.1 本设计的目的及意义目的： 1） 通过设计熟悉机器的具体操作，增强感性认识和社会适应能力，进一步巩固、 深化已学过的理论知识，提高综合运用所学知识发现问题、解决问题的能力。2）学习机械设计的一般方法，掌握通用机械零件、机械传动装置或简单机械的设计原理和过程。3） 对所学技能的训练，例如：计算、绘图、查阅设计资料和手册，运用标准和规范等。4) 学会利用多种手段(工具)解决问题，如：在本设计中可选择CAD等制图工具。5） 了解减速器内部齿轮间的传动关系。意义： 通过设计，培养学生理论联系实际的工作作风，提高分析问题、解决问题的独立工作能力；通过实习，加深学生对专业的理解和认识，为进一步开拓专业知识创造条件，锻炼动手动脑能力，通过实践运用巩固了所学知识，加深了解其基本原理。1.2 减速器的发展状况减速器是用于原动机与工作机之间的独立的传动装置，用来降低转速和增大转矩，以满足工作需要。在现代机械中应用极为广泛，具有品种多、批量小、更新换代快的特点。渐开线二级圆柱齿轮减速器具有体积小、重量轻、承载能力大、传动平稳、效率高、所配电机范围广等特点，可广泛应用于各行业需要减速的设备上。二级圆柱齿轮减速器的计算机辅助设计及制造（CAD/CAM）技术是当今设计以及制造领域广泛采用的先进技术。通过本课题的研究，将进一步对这一技术进行深入地了解和学习。1.3 减速器的发展趋势减速机行业涉及的产品类别包括了各类齿轮减速机、行星齿轮减速机及蜗杆减速机，也包括了各种专用传动装置，如增速装置、条素装置、以及包括柔性传动装置在内的各类复合传动装置等，产品服务领域涉及冶金、有色、煤炭、建材、船舶、水利、电力、工程机械及石化等行业。其作为传动机械行业里的一个重要的分支，在机械制造领域中扮演着越来越重要的角色。近几年，随着中国产业经济的迅猛发展，减速机行业在国内也取得了日新月异的进步。国内的减速器多以齿轮传动、蜗杆传动为主，但普遍存在着功率与重量比小，或者传动比大而机械效率过低的问题。另外，材料品质和工艺水平上还有许多弱点，特别是大型的减速器问题更突出，使用寿命不长。国外的减速器，以德国、丹麦和日本处于领先地位，特别在材料和制造工艺方面占据优势，减速器工作可靠性好，使用寿命长。但其传动形式仍以定轴齿轮传动为主，体积和重量问题，也未解决好。齿轮传动是现代机械中应用最广的一种传动形式。它的主要优点是：瞬时传动比恒定、工作平稳、传动准确可靠，可传递空间任意两轴之间的运动和动力；适用的功率和速度范围广；传动效率高，=0.92-0.98；工作可靠、使用寿命长；外轮廓尺寸小、结构紧凑。由齿轮、轴、轴承及箱体组成的齿轮减速器,用于原动机和工作机或执行机构之间,起匹配转速和传递转矩的作用,在现代机械中应用极为广泛。在21世纪成套机械装备中,齿轮仍然是机械传动的基本部件。CNC机床和工艺技术的发展,推动了机械传动结构的飞速发展。在传动系统设计中的电子控制、液压传动、齿轮、带链的混合传动,将成为变速箱设计中优化传动组合的方向。在传动设计中的学科交叉,将成为新型传动产品发展的重要趋势。2 传动装置总体设计2.1 确定传动方案带式输送机传动系统方案如图1所示：23541IIIIIIIVPdPw图1 B6型带式运输机及其二级圆柱齿轮减速器设计数据编号运输带工作拉力F/N运输带工作速度v/m.s-1卷筒直径D/mmB65200150400工作条件：连续单向运转，工作时有轻微振动，使用期限为8年，小批量生产，两班制工作，运输带工作速度允许误差为5。设计要求：1、完成设计说明书一份，约8000字。 2、完成带式传输装置总体设计及减速器部装图、零件图。 3、完成减速器所有零件图及装配。带式输送机由电动机驱动，电动机1通过联轴器2将动力传入减速器3，在经联轴器4传至输送机滚筒5，带动输送带6工作。传动系统中采用两级展开式圆柱齿轮减速器。2.1.1 电动机的容量选择根据已知条件可以计算出工作机所需有效功率 设 输送带间的传动效率； =0.96 齿轮的传递效率， =0.96 轴承的效率， =0.96 联轴器的效率， =0.99 带式输送机滚筒效率。 =0.96估算运动系统总传递效率：得传动系统总效率 =0.743工作机所需电动机功率 由表2-1所列Y系列三相异步电动机技术数据中可以确定，满足条件的电动机额定功率应取为11。表 2-1电动机型号额定功率/满载转速/（）Y100L-4314202.22.2Y112M-4414402.22.2Y132S-45.514402.22.2Y132M-47.514402.22.2Y160M-41114602.22.2Y160L-41514602.22.2Y160L-6119702.02.02.1.2 电动机转速的选择根据已知条件由计算得知输送机滚筒的工作转速 由表2-1初选同步转速为1500和1000的电动机，对应用于额定功率的电动机型号应分别为Y160M-4型和Y160L-6型。把Y160M-4型和Y160L-6型电动机有关技术数据及相应算得的总传动比列于表2-2:表2-2 方案的比较方案号电动机型号额定功率（）同步转速（）满载转速（）总传动比Y160M-411.01500146020.374Y160L-611.0100097013.53通过对这两种方案比较可以看出：方案选用的电动机转速高、质量轻、价值低，总传动比为20.374，比较合适，故选用方案。2.1.3 电动机型号的确定 根据工作条件：两班制工作，空载起动，载荷平稳，常温下连续（单向）运转，工作环境多尘，中小批量生产，使用期限为8年，年工作300天，工作机所需电动机功率及电动机的同步转速等，选用Y系列三项异步电动机，卧式封闭结构，型号为Y160M-4，其主要性能数据如下：电动机额定功率 电动机满载转速 电动机轴身直径 电动机轴身长度 2.1.4 传动比的分配带式输送机传动系统的总传动比 由传动系统方案知 所以圆柱齿轮总传动比 为便于两级圆柱齿轮减速器采用浸油润滑，当两对齿轮材料相同、齿面硬度、齿宽系数相等时，考虑齿面接触强度接近相等的条件，取高速级传动比 低速级传动比 传动系统各传动比分别为：，2.1.5 传动系统的运动和动力参数计算传动系统各轴的转速、功率和转矩计算：0轴（电动机轴）：1轴（减速器高速轴）：2轴（减速器中间轴）： 3轴（减速器低速轴）： 2.2 传动零件的设计2.2.1 高、低速级齿轮的参数计算1) 高速级直齿圆柱齿轮传动(1)选择材料及热处理 考虑减速器要求结果紧凑故大小齿轮均用40Cr调质处理后表面淬火，因载荷较平稳，齿轮速度不是很高，故初选7级精度，齿数面宜多取，选小齿轮齿数z1=24，大齿z2=z1=3.0824=74，按软齿面齿轮非对称安装查文献2表6.5，取齿宽系数=1.0 。实际传动比i12=74/24=3.08333，误差(i12- i12)/ i12=(3.08333-3.08)/3.08333=0.0015%，在设计给定的5%范围内可用。（2）强度设计按齿面接触疲劳强度设计，由文献2式(6.11)确定公式中各式参数: 载荷系数 试选=1.3小齿轮传递的转矩 材料系数 查文献2表6.3得大、小齿轮的接触疲劳极限 按齿面硬度查文献2图6.8得应力循环次数 N1=60n1jLh=604861300288=1.1197109N2=N1/=2.7648108/3.08=3.635108接触疲劳寿命系数 查文献2图6.6得 确定许用接触应力 取安全系数 设计计算试计算小齿轮分度圆直径 取=80.822mm计算圆周速度v v=2.06m/s计算齿b b=d1=1.080.822=80.22mm模数 mt mt=d1/z1=80.822/24mm=3.36mm齿全高 h 计算载荷系数 kA 查文献2表6.2得使用系数=1根据v=2.568 m/s 按7级精度查文献2图6.10得动载系数=1.08 查图6.13 得=1.42; 直齿轮=1 则 k= =11.0811.432=1.546校正分度圆直径由文献2式（6.14） =mm=85.628mm计算模数 m=d1/z1=85.6282/24mm=3.56mm校核齿根弯曲疲劳强度 由文献知：确定公式中各参数值: 小、大齿轮的弯曲疲劳强度极限查文献2图6.9取弯曲疲劳寿命系数 查文献2图6.7 取许用弯曲应力 取定弯曲疲劳安全系数, 齿轮系数和应力修正系数 查文献2表6.4得 计算大小齿轮的与并加以比较取其中最大值代入公式计算大齿轮的数值大，应按大齿轮校核齿根弯曲疲劳强度查机械设计基础模数表取m=3mm按接触疲劳强度分度圆直径d1=80.822mm 计算小齿轮的齿数 z1= d1 m = 80.822 3 =26.9427 大齿轮齿数 z2=3.0827=83.16 取z2=84几何尺寸的计算（1）两轮分度圆直径 =mz1=327=81mm d2=mz2=384=252mm（2）计算齿轮的宽度 B2=b=dd1=181=81mm B1=B2+(510)mmB2=81mm b1=86mm（3）中心距 a=m(z1+z2)/2=3(81+252)/2=166.5mm校核计算 F1=2kT1YFaYSadm3z12=21.4471.981052.652.221332424=216.7303.57Mpa=F1所以 弯曲疲劳强度足够。2) 低速级直齿圆柱齿轮传动(1)选择齿轮材料及热处理方法小齿轮选择45Cr调质处理，齿面硬度为280HBS，大齿轮选择45钢调质处理，齿面硬度为240HBS，二者都属软齿闭式传动，载荷平稳齿轮速度不高，初选7级精度，小齿轮齿数=32，大齿轮齿数z2=z1=322.2=70.4，取Z2=71.按软齿面齿轮非对称安装查文献2表6.5，取齿宽系数=1.0 ，实际传动比i12=71/32=2.2187，误差i12-i12)/ i12=(2.2187-2.2)/2.2187=0.0085%，在设计给定的5%范围内可用。(2)强度设计按齿面接触疲劳强度设计 由文献2式(6.11)确定公式中各式参数； 载荷系数 试选=1.4小齿轮传递的转矩 T1=9.55106 =9.55106 =558000 Nm材料系数 查文献2表6.3得大，小齿轮的接触疲劳极限 按齿面硬度查文献得应力循环次数 N1=60n1jLh=601581300168=3.64108N2=N1/=3.64108/2.2=1.655108接触疲劳寿命系数 查文献2图6.6得 确定许用接触应力 取安全系数 取设计计算试计算小齿轮分度圆直径 取=120.72mm计算圆周速度v v=0.998m/s计算齿宽b b=d1t=1.0120.72=120.72mm模数 mt mt=d1/z1=120.72/32mm=3.772mm齿全高 h 计算载荷系数k 查文献2表6.2得使用系数=1根据v=0.998m/s 按 7级精度查文献2图6.10得动载系数=1.06查图6.13 得=1.436 直齿轮=1 得=1.38 则 k=11.0611.436=1.522校正分度圆直径由文献2式（6.14） 计算模数m m=d1/z1=124.1/32=3.8mm 取标准取模数m=4mm根据齿根弯曲疲劳强度校核则有：确定公式中各参数值：大小齿轮的弯曲疲劳强度极限查文献2图6.9取弯曲疲劳寿命系数 文献2图6.7 取许用弯曲应力 取定弯曲疲劳安全系数,应力修正系数齿轮系数和应力修正系数查文献2表6.4得计算大小齿轮的与并加以比较取其中最大值代入公式计算大齿轮的数值大，应按大齿轮校核齿根弯曲疲劳强度计算齿轮传动的几何尺寸；两轮分度圆直径 =mz1=432=128mm d2=mz2=471=284mm中心距 a=m(z1+z2)/2=2.5(128+284)/2=206mm计算齿轮的宽度 B2=b=dd1=1128=128mmB1=B2+(510)mmB2=128mm b1=134mm校核计算 F1=2kT1YFaYSadm3z12=21.4635.581052.721.571433232=106“模型分析”，选择全局干涉选项，点“计算”按钮，开始干涉分析，分析结果为:大齿轮与齿轮轴之间干涉体积为0.02448mm .干涉的原因主要有两个: 1)系统在进行数据处理时，要对零件做大量复杂的计算，由于所采用算法的精度不是足够的高，也由于计算机本身的计算位数有限，会出现微小的偏差，这种情况是不可避免的。 (2)生成齿轮渐开线的辅助公式存在舍入误差。这种情况可以避免，但过于繁琐。因此，出现微小干涉是由于系统和公式的精度引起，设计和装配理论没有错误。根据装配经验，这样微小的体积干涉在实际装配时只需做少量技术处理即可解决。所以，装配的结果是正确的。 3.3.2减速器机构运动仿真 Pro/E的运动仿真模块(Motion Simulation Option)是一个模拟仿真分析的设计工具。它既能进行运动学分析，又能进行动力学分析。主要包括下列几个功能. .Pro/MECHANICA机构运动性能的仿真 .运动学及动力学分析 .凸轮、滑槽、摩擦、弹簧、冲击、分析与模拟 .干涉及冲突检查 .载荷与反作用力 .参数化优化结果研究 .全相关H单元FEA结算器 运动分析用于建立运动机构模型，分析其运动规律。其设计过程主要分为两个基本步骤:一是定义机构;二是使其运动。其过程如下: (1)进入Pro/E的装配模式采用销钉连接(Connections). (2)进入“Mechanism(机械)添加“驱动器”。向模型中添加驱动器，为运动做好准备。驱动器应准确定义接头或几何图元之间运动副的连接关系，如旋转或平移。 (3)如果有机构中存在“槽”、“凸轮”或者“齿轮”从动关系，则需要进行从动机构的连接。 (4)选择“运动分析”并创建运动记录。 (5)选择“结果回放”来重新演示机械运动、检测运动干涉、定性分析从动运动特性、检查锁定配置，以及保存重新演示的运动结果，创建MPEG, JPEG文件等。 3.4选择“测量结果”以图形方式查看位置结果 齿轮减速器各个元件间的连接关系如下:机座“刚性”连接于地面，大齿轮_轴_键与小齿轮轴之间加“齿轮副”连接，然后分别以“销钉”方式与各轴承连接，轴承以“刚性”方式与机座连接。进入“Mechanism”添加“驱动器”，定义“伺服电机”，给小齿轮轴加一驱动速度为34320deg/min，选择“运动分析”进行运动仿真。在Pro/E中建立运动仿真模型如图3.8所示，仿真动画见光盘。 图3.8 减速器运动仿真模型 4 减速器关键零部件的有限元分析随着现代科学技术的发展，人们正在不断建造更为快速的交通工具、更大规模的建筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械设备。这一切都要求工程师在设计阶段就能精确地预测出产品和工程的技术性能，需要对结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分析计算。例如分析计算高层建筑和大跨度桥梁在地震时所受到的影响，看看是否会发生破坏性事故；分析计算核反应堆的温度场，确定传热和冷却系统是否合理；分析涡轮机叶片内的流体动力学参数，以提高其运转效率。这些都可归结为求解物理问题的控制偏微分方程式往往是不可能的。近年来在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析（FEA，Finite Element Analysis9）方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径。在大力推广CAD技术的今天，从自行车到航天飞机，所有的设计制造都离不开有限元分析计算，FEA在工程设计和分析中将得到越来越广泛的重视。目前以分析、优化和仿真为特征的CAE(Computer aided Engineering CAE)技术在世界范围内蓬勃发展。它通过先进的CAE技术快速有效地分析产品的各种特性、揭示结构各类参数变化对产品性能的响，进行设计方案的修改和调整，使产品达到性能和质量上的最优，原材料消耗最低。同时，运用CAE技术可减少或取消传统设计中需要多轮次制造样机及昂贵的实验费用。因此，基于计算机的分析、优化和仿真的CAE技术的研究和应用，是高质量、高水平、低成本产品设计与开发的保证。4.1 ANSYS的简介1970年，JOhn SwanSOtl博士洞察到计算机模拟工程应该商品化，于是在宾州匹兹堡建立了ANSYS公司。其开发的第一个程序仅提供了线性结构分析和热分析功能，它只是一个批处理程序，而且只能在大型机上运行。但30年来，ANSYS取得了巨大的成功。它不断融入了新技术，不断满足用户的要求，从而使程序不断向前发展。它不断加入越来越多的单元类型，考虑了非线性、子结构等新技术。70年代末，ANSYS引入了交互式概念，大大提高了用户对程序的使用效能；其前处理器和后处理器的概念，使得用户在建模和结果处理上都非常方便。ANSYS的使用简单有效，既便是新手也很容易理解并完成自己的分析。ANSYS在跟踪有限元学科的同时，也适应计算机的发展，能够在多种平台、多个操作系统上完全兼容，其并行处理技术也大大提高了分析率。目前，ANSYS已经发展到了120版本。与以往版本相比，该版本在很多方面ANSYS软件是第一个通过ISO9001质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会（ASME）、美国核安全局（NQA）及近二十种专业技术协会认证的标准分析软件。在我国第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院十七个部委推广使用。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor,CATIA等， 是现代产品设计中的高级CAD工具之一。 4.1.1 ANSYS10.0的新特点延续了ANSYS一贯强大的耦合场技术，ANSYS 10.0新版本功能将灵活性和实践性相融合，在易用性、协同工作以及耦合技术（如流固耦合）等方面有很大提高，以下是主要的几点列举。ANSYS 10.0秉承Workbench主旋律，提供给用户可供选择的全自动或个人控制的强大分析软件。ANSYS Workbench提供独一无二的环境，可以直接建立应力分析、电磁分析、计算流体动力学分析或多场耦合分析的模型。通过CAD系统的连通性，可以将模型扩展到上、下游部件，最终完成整个模型的分析。ANSYS ICEM CFD 10.0通过混合网格剖分新功能和CAD模型细节处理功能，提供了完整的一系列网格划分工具以模拟真实世界。ANSYS 10.0版本提供了涡轮机械设计和分析完整的解决方案。ANSYS 10.0加入了旋转机械和叶片设计工具，丰富了Workbench环境下的行业化功能。ANSYS 10.0增加了旋转机械的陀螺效应，从而提高了ANSYS对涡轮机械和其他旋转结构的转子动力学分析的能力。在高频电磁领域，ANSYS 10.0版本提供了一个新的模式端口。此端口大大简化了集成电路(IC)、射频识别(RFID)和射频微机电系统(MEMS)等多种设备分析传输线端口的建模。标准算例显示，利用此端口建模，可以显著缩小模型尺寸，在保证精确的频域计算结果的前提下，可以节约30%50%的求解时间和内存需求。4.1.2 ANSYS软件功能模块ANSYS软件主要有一下功能模块：.结构静力分析、结构动力学分析、.结构非线性分析、.动力学分析、热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析等模块。.结构静力分析、结构动力学分析主要解决对象如下：1. 结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。2. 结构动力学分析结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。4.2 ANSYS分析主要步骤1)建立模型ANSYS程序为用户提供了下列三种生成几何模型及有限元模型的方法：一是在ANSYS中直接生成有限元模型；二是在ANSYS中创建几何模型，然后划分网格，生成有限元模型；三是导入在其它CAD系统中创建的实体模型或者有限元模型，若导入的是实体模型，需经过处理后再划分网格，生成有限元模型。本文采用第三种方法生成模型。2)选择单元类型对于同一结构的有限元分析，针对不同的分析类型所采用的单元类型和单元属性不尽相同。不同的单元类型分别对应不同的分析类型和不同的材料，而且也有许多单元有好几种可选择的特性来实现不同的功能。有时一旦单元选定，则分析问题的物理环境也就确定了。单元的选用原则（1）尽量选用维数低的单元去获得预期的结果，做到能选择点而不选择线，能选择线而不选择平面，能选择平面而不选择壳，能选择壳而不选择三维实体。 （2）对于复杂结构，应当考虑建立两个或者更多的不同复杂程度的模型。（3）为了保证单元之间的协调性，注意尽量在有限元模型中避免产生不必要的不同单元的连接，保证自由度的相容性，通常选用一种单元类型来产生一个有限元模型。（4）如果在由于几何、材料、载荷或分析结果要求考虑的细节等原因造成无法采用更简单单元进行建模的结构时候，可考虑实体单元。因为实体单元可以从空间的角度来真实地逼近实体几何形状，尤其对于基于几何的有限元模型，几乎能反映全部的几何变化。在物理属性方面，实体单元能表达的实际零件信息最全，其他单元不能表达的信息，例如，零件的质量、惯性、材料特性等方面，实体单元能很好地表达出来，其缺点是对计算机的要求较高。3）定义材料属性一般有限元分析都需要输入材料的属性，例如在结构静力学分析中至少需输入弹性模量，动力学分析中需输入材料的弹性模量和密度。4）划分网格划分网格时应考虑的一些基本原则：1.网格数量网格数量的多少疏密将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量时应权衡两个因数综合考虑。在静力分析时，如果仅仅是计算结构的变形，网格数量可以少一些。如果需要计算应力，则在精度要求相同的情况下应取相对较多的网格。 2.网格疏密网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据的分布特点。网格的细划可以提高计算精度，但不能盲目追求网格的细密，关键在于抓住主要区域进行模拟，要粗划和细划适宜。因此，在保证计算目的和精度的条件下，控制网格规模，在不同阶段选择不同的简化程度。在计算数据变化梯度较大的部位(如应力集中处)，为了较好地反映数据变化规律，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯度较小的部位，为减小模型规模，则应划分相对稀疏的网格。5）载荷和边界条件的施加施加载荷应遵循的原则是:1.简化越少越好。2.使施加的载荷与结构的实际承载状态保持吻合。3.在加载时，必须清楚各载荷的施加对象。4.如果必须作简化处理是，必须忽略不合理简化的边界附近一定区域内的应力 。4.3结构静力分析 1)静力分析的定义:静力分析计算在固定不变的载荷作用下结构的效应，它不考虑惯性和阻尼的影响，如结构随时间变化载荷的情况。可是，静力分析可以计算那些固定不变的惯性载荷对结构的影响(如重力与离心力)，以及那些可以近似为等价静力作用的随时间变化载荷(如通常在许多建筑规范中所定义的等价静力风载和地震载荷)。线性分析是指在分析过程中结构的几何参数和载荷参数只发生微小的变化，以至可以把这种变化忽略，而把分析中的所有非线性项去掉。 2)静力分析中的载荷:静力分析用于计算由那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移、应力、应变和力。固定不变的载荷和响应是一种假设，即假定载荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢。静力分析所施加的载荷包括以下几种:1）外部施加的作用力和压力 .稳态的惯性力(如中力和离心力) .位移载荷 .温度载荷 2)线性静力分析与非线性静力分析:静力分析既可以是线性的也可以是非线性的。非线性静力分析包括所有的非线性类型:大变形、塑性、蠕变、应力刚化、接触(间隙)单元，超弹性单元等。4.4模态分析简介模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术，通过它可以确定自然频率、振型和振型参与系数(即在特定方向上某个振型在多大程度上参与了振动)。模态分析是所有动力学分析类型的最基础的内容。 进行模态分析有许多好处:可以使结构设计避免共振或以特定频率进行振动(例如扬声器);使工程师认识到结构对于不同类型的动力载荷是如何响应的;有助于在其它动力分析中估算求解控制参数(如时间步长)。由于结构的振动特性决定结构对于各种动力载荷的响应情况，所以在准备进行其它动力分析之前首先要进行模态分析。4.5输出轴有限元静力学分析 线性静力分析的求解步骤为: 1)建模在这里采用pro/E中己建好的模型，为了减少计算量、缩短计算时间，忽略轴阶处的倒角和圆角(实验证明对结果影响不大)，把proe模型保存为iges格式导入到ANSYS中. 减速器的齿轮轴选用45号碳素结构钢制造，因为该材料的机械性能较好，材料的弹性模量为2e11 Pa，泊松比为0.3，屈服极限为265 MPa，材料的密度为7800 kg/m3。该轴主要承受齿轮自重并传递动力，所受圆周切向力为6259 N，所受径向力为2309 N。在建模过程中，采用ANSYS软件自身具有的智能网格划分的方法进行。这种方法可以根据模型的几何特点，自动将网格划分得疏密得当，实例中单元格选用八节点四面体单元体，采用solid45单元，单元的特征尺寸为5 mm，单元的划分通过ANSYS带的自适应网格划分。最终生成2016个单元、2087个节点。网格划分具体情况如图1所示： 图4-12)施加载荷和边界条件 静力分析时的位移边界条件：鉴于三维单元需要约束全部节点的三个方向的自由度，因此只进行移动自由度的约束。由于轴向是由轴肩约束的，所以在轴肩处加了移动约束，又因是静力分析，所以可以认为轴的瞬间是固定不动的，所以在轴承端施加了全约束；静力分析时力的边界条件：齿轮的圆周切向力和径向力转化为齿轮与轴的接触处的线性力，轴本身所受到的扭矩转化为轴上的两排力偶，排列成线状加载在轴上,这些力的边界条件都是通过均分后施加于相应的节点上而起到相应的作用的。3）查看结果如下：查看总变形如图4-2 查看周向应力图4-3 图4-2 图4-3查看 Y向应力如图4-4 查看Z向应力如图4-5 图4-4 图4-5 4)计算结果分析 综合这些结果，可以看出:相对高的应力和大的变形出现在键槽处，因为输出轴类似简支梁，而又承受了扭矩的作用，因此在此处产生最大变形是可以理解的。在键槽区域出现高应力，应该说跟键槽容易出现应力集中的结构特征是相关的。从计算结果看，整轴的最大应力远远小于材料的许用应力，虽然出现了相对高的应力区域和应力点，但应力绝对水平都不高，整体应力应该说是偏低;而且整轴的刚度变形极小，根本不足以影响输出轴的正常工作。由此看出，输出轴有很大的调整优化度，对其进一步优化设计，将具有很大的实际意义。4.6大齿轮模态分析 1)建模在这里采用pro/E中己建好的模型，为了减少计算量、缩短计算时间，忽略齿轮的倒角和圆角(实验证明对结果影响不大)，把proe模型保存为iges格式导入到ANSYS中. 2)划分网格如图4-6图4-6 2)加载及求解 选择新的分析类型为模态分析。在模态分析中Restart(重启
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