开题报告(齿轮参数化设计及弯曲强度有限元分析).doc

本科毕业设计（论文）开题报告学生姓名专业（班级）课题名称齿轮参数化设计及弯曲强度有限元分析一、本课题的作用、意义，在国内外的研究现状和发展趋势，尚待研究的问题1. 齿轮参数化设计及弯曲强度有限元分析的作用、意义参数化设计对于形状大致相似的一系列零部件，只需修改相关参数，便可生成新的零部件，从而大大提高设计效率。在Pro/E中，通过参数化建模的方法，生成齿轮的完整渐开线齿廓，采用特征操作方法生成了渐开线齿轮的三维实体模型。然后建立Pro/E与ANSYS10.0的接口，将模型导入。在ANSYS软件中基于APDL语言实现了渐开线斜齿轮“网格剖分、载荷施加、求解计算”的全过程参数化，实现了CAD与CAE的一体化，极大地提高了工程设计效率。齿轮的参数化三维建模必将提高工程设计的效率。很多研究人员是在有关的CAD软件上得到斜齿轮的三维模型，然后再导入到有关的CAE软件上进行有限元分析。这样做一方面无法实现CAD/CAE的有效集成，另外很重要的一方面就是三维参数化模型导入到CAE软件中后，不再具备“参数化”特征，从而在CA五软件中无法对几何模型进行参数化控制，无法实现网格的参数化精确化剖分，无法实现复杂载荷和边界条件的精确施加与求解，无法实现参数化后处理，无法实现与ANSYS数据库的适时交互，无法实现参数化有限元分析的全过程。齿轮轮齿弯曲强度有限元分析，相对于传统计算方法，过程简洁，结果更接近理论和实际。传统方法设计齿轮时需要查阅手册及大量的图表，并且整个过程有时需要大量的试算和反复，十分繁琐。而采用参数化的有限元法则比较简洁，只需将有关参数代入编写好的程序上就可以很快得到结果，计算精度同时也会在一定的范围内得到保证。2. 齿轮参数化设计及弯曲强度有限元分析在国内外的研究现状和发展趋势.齿轮参数化设计参数化设计(Parametricdesign)是一种设计方法，主要是通过改动图形某一部分或某几部分的尺寸，自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现尺寸对图形的驱动。参数化设计技术以其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形功能，成为初始设计、产品建模与修改、系列设计、多方案比较和动态设计的有效手段，是提高三维模型设计效率的最好方法之一。根据参数化设计方法在不同时期的主要特点，可以将参数化的研究分为以下几个阶段:60一70年代中的萌芽期这一阶段以Sutherland为代表，他在sketehpad(1963)系统中提出利用约束作为辅助手段进行零件的生成，但没有使用约束定义和修改几何模型，模型的修改只是一个单向过程，一旦模型生成后约束不能反过来限制模型。70年代后一80年代初的开创时期提出了一些参数化设计的基本思想和理论，并逐渐形成了不同的参数化方法。以Hillyard提出变量几何和几何约束思想，并由Gossard及其研究小组进一步发展和完善了这一方法为标志。80年代中期一90年代初的发展时期这一时期的一个重要特征是将AI技术引入参数化设计中，人们分别将几何推理、神经网络等人工智能方法应用到设计中去，同时，将参数化技术应用到实体造型，形成了特征造型技术，以Aldefeld、Suzuki、Verrotlst提出的基于专家系统的方法为主要代表。90年代中期至今基于知识的参数化理论逐渐完善，参数化方法在实践中得到广泛应用。这一阶段以利用图表示的基于知识的几何推理法和GaoXiao一Shan提出的约束传播法为主要代表国内近年来对参数化的研究也显示出较高的热情，相继开发出一些具有较高技术水平的商品化软件，在几何约束的表示和求解方面，提出了各种新方法和思路。浙江大学董金祥教授，葛建新博士提出变参绘图系统中一种约束求解新方法，采用该方法，不但可以通过分解和排序来提高求解速度，而且可以通过快速指出约束不足和约束过载来提高灵活性和可靠性。清华大学张国伟等提出了一种基于自由度分析的约束传播算法，求解二维参数化设计中所建立的几何约束模型。用约束图表示几何元素及它们之间的约束关系，用规则图来表示求解推理的过程，采用了基于规则的推理与数值计算相结合，基于自由度分析的约束求解策略。浙江大学谭建荣教授等针对现有在线参数化方法的不足，提出了模型建立和求解相分离的离线式参数化方法，基本思路是根据工程制图规则和尺寸与图形的本质联系，自动建立尺寸与图形的约束关系，并探讨了工程图约束信息自组织原理和方法。在CAD领域中，参数化技术是指采用预定义参数的方法建立图形的约束集，并指定一组尺寸作为参数使其与几何约束集相关联，将所有的关联公式融入到应用程序中，然后以人机交互的方式修改参数，通过参数化尺寸驱动实现对设计结果的修改。在参数化设计过程中，参数与设计对象的控制尺寸有着明显的对应关系，并具有全局相关性。参数化设计不同于传统的设计，它存储了设计的整个过程，能设计出一族而非单一的、在形状和功能上具有相似性的产品模型。正是有了这种参数化设计技术，才使得数据的改变在不同层次之间的传递具有关联性、同步性和即时性。因此，才有了真正意义上的自顶向下设计及以这种设计为基础的并行设计。所谓“参数化设计模型”是指以约束来表达产品模型的形状特征，以一组参数来控制设计结果，从而能通过变换一组参数值就方便地创建一系列形状相似的零件。参数化方法的本质是基于约束的产品描述方法，产品整个设计过程就是约束规定、约束变换求解过程以及约束评估过程的求精。参数化设计技术在解决二维绘图以及二维造型建模的问题上表现出很大的优势，如国外的AutoCAD，UG，Pro尼ngineer以及cATTA等二维、三维软件，国内的CAXA、开目CAD以及金银花MDA等商业化软件在国内外企业产品设计，特别是零件设计中发挥着巨大的作用。.齿轮弯曲强度有限元分析20世纪以来的齿轮大多是铸造成型的，精度较低，其主要损伤形式是齿轮折断，因此用弯曲强度计算齿轮的强度。WLewsi于1982年对铸造的齿轮提出了齿轮弯曲强度计算公式。后来随着齿轮加工技术的进步，提高了齿轮的精度，并采用了闭式软齿面齿轮传动，因此当模数不太小时，通常齿根的弯曲强度是没有问题的。但随着齿轮热处理技术(如渗碳淬火、高频淬火和氮化处理等)和齿轮磨削技术的发展，使齿轮的齿面接触强度显著地提高，并且近代工业的发展要求齿轮传递的功率增大和趋向小型化，于是齿轮弯曲强度再度成为重要的问题。己有许多文献期刊等讨论了直齿与斜齿圆柱齿轮齿根弯曲应力，但大多只是针对某一个或几个特定接触位置进行分析研究的，而关于研究齿轮在啮合过程中齿根弯曲应力分布的论文至今尚不多见。在计算齿轮应力分布的数值方法中，有限元法无疑是最有效的方法之一。但在齿轮齿根弯曲应力有限元计算中常常遇见的问题是，为了提高计算精度必将使计算模型增大，随之而来的是计算费用的增加或计算机内存不够而无法运行。为了兼顾计算精度和计算模型的矛盾，采用局部网格密化将使有效的途径。在齿轮传动系统中，齿轮作为承受载荷和传递动力的主要承担者，工程中经常遇到齿轮断裂、大变形等情况。因此着重对齿轮进行应力分析有十分重要的意义。齿根应力可用解析法、光测法、电测法及有限元法等进行研究，但相比之下，有限元发有其独特的优点。解析法把齿轮作为悬臂梁计算齿根应力，而引入一些系数考虑载荷分布的不均匀、应力集中、短悬臂梁等的影响，这种方法虽然简单、但精度不高，而且只能算出一些特殊位置的应力。光测法和电测法虽能精确的反应齿根应力，但需制作实物模型。而有限元法在不需实物模型的情况下就能精确的反应齿根应力的分布状态。有限元法应用于齿根应力分析大约起于60年代末，70年代初，近年来己有迅速发展。在航空圆柱齿轮动态载荷下三大强度计算方法研究中，利用有限元方法，用FOTRRAN语盲开发了一套斜齿圆柱齿轮的应力计算程序。此程序非常成功的解决了很多的齿轮应力计算问题，而且它一直应用到现在，说明它有很强的生命力。但随着时代的前进，科学技术发展日新月异，现代工程技术中对齿轮的应力分析的精确性、便捷性等提出了更高的要求，需要一种更好的方法来计算齿轮应力。随着生产和设计的社会化、专业化发展，大型的商业应用软件不断出现，其功能越来越强大，应用范围越来越广，以至于现在越来越少的科研人员会纯粹的靠自己独立开发的程序去解决工程问题。另一方面商业软件由于它要兼顾通用性，它不是为解决个别特定的问题而设计的，因此我们在解决一些问题时需要对它进行二次开发。工程设计和分析计算依赖于通用商业软件的同时对它进行二次开发，这己经成为当代的一种潮流和趋势3. 齿轮参数化设计及弯曲强度有限元分析尚待研究的问题在现有的CAD平台上建立齿轮三维几何模型并非难事，但是仍存在以下问题。(1)几何建模的精确性。这主要体现在对过渡曲线的处理上，很多文献均是采用圆弧来作为过渡曲线的，这既不符合生产实际情况，也不利于对齿根弯曲应力进行有限元分析。本文将在建立过渡曲线数学模型的基础上，对其进行精确化处理。(2)有限元分析的参数化。在其他CAD平台上进行几何建模，然后再导入到ANSYS中进行有限元分析，尽管这样做有利于充分利用不同软件的优势，但是这样做将导致在ANSYS中无法对几何模型进行参数化控制，无法实现网格的参数化精确化剖分，无法实现复杂载荷和边界条件的精确施加与求解，无法实现参数化后处理，无法实现与ANSYS数据库的适时交互，无法实现参数化有限元分析的全过程。鉴于此，本文将实现齿轮的参数化建模。二、完成任务的研究思路和方案本文主要研究内容是在Pro/E中，通过参数化建模的方法，生成齿轮的完整渐开线齿廓，采用特征操作方法生成了渐开线齿轮的三维实体模型。然后建立Pro/E与ANSYS10.0的接口，将模型导入。在通用的大型有限元分析软件ANSYS上，基于APDL语言实现齿轮弯曲强度有限元分析。主要内容如下:(1)在Pro/E中齿轮的三维参数化精确造型。这部分主要解决的问题包括:设置尺寸参数；创建齿轮关系式；创建轮廓曲线；创建齿轮阵列特征；建立族表。(2)齿轮齿根弯曲应力有限元分析。这部分主要解决的问题包括: 定义材料属性、单元类型；选择网格类型、划分网格；定义边界条件、加载；有限元计算;基于APDL语言实现齿根弯曲应力参数化有限元分析全过程参考文献【1】旧)仙波正庄，姜勇译.齿轮强度计算M.北京:化学工业出版社，1984.8【2】吴继泽，王统.齿根过渡曲线与齿根应力M.北京:国防工业出版社1989.1【3】邱宣怀.机械设计(第4版) M.北京:高等教育出版社，1997.4【4】任继文，张会明.基于AutoCAD用仿形法实现斜齿轮加工仿真J.华东交通大学报，2004(l):【5】陶卫民，张文玉.用仿铣齿法生成斜齿轮三维实体模型J.现代机械，2003(3)【6】郭志全，朱征.斜齿圆柱齿轮在UG中的三维建模J.机械设计，2003【7】朱思洪.基于Pro/E的斜齿圆柱齿轮三维实体造型J.机械设计与制造，2005(3)【8】包家汉，张玉华，薛家国.基于ANSYS的渐开线斜齿轮副参数化建模J.机械传动，2006(1):54一56山东大学硕士学位论文【9】邱荣茂，王大鸣，崔振勇.渐开线斜齿圆柱齿论的三维造型J.现代制造工程，2004(7):22一24【10】王建明，刘才山，周学军.内、外啮合斜齿轮三维接触应力有限元分析J.机械传动，1998(3):15一18【11】杨汾爱，张志强，龙小乐，鲍务均.基于精确模型的斜齿轮接触应力有限元分析J.机械科学与技术，2003(2):206一208【12】刘树成吴继泽.渐开线斜齿轮弯曲强度的研究J.机械科学与技术，1992(1):24一30【13】陈建辉.圆柱齿轮的三维参数化建模与应力分析D.西北工业大学，2005.01【14】孙桓，傅则绍.机械原理M.北京，高等教育出版社，1995.4【15】赵恒华，宿崇.基于AutoCAD的直齿斜齿圆柱齿轮三维参数化造型方法J.机械与电子，2006(5):45一47【16】A1Alleyne,Riliu . 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