（机械电子工程专业论文）交错轴斜齿轮的仿真及有限元解析.pdf

叫川i 大学坝卜学位论文 交错轴斜齿轮的仿真及有限元解析 机械电子工程专业 研究生杨晓华指导教师杨荣松副教授 本文系统地介绍了交错轴斜齿轮的仿真及有限元分析。主要内容包括如何 用编程的方式实现渐丌线上取点；如何使用p r o e 软件调用外部文件，生成轮 齿截面形状：如何对交错轴斜齿轮进行二维建模和对三维模型进行装配以及如 何运用a n s y s 软件对建立好的模型进行有限元的解析。 齿轮传动技术是技术科学的一个重要分支，齿轮传动的应用范围极其广泛， 几乎涉及到国民经济的各个部门。而交错轴斜齿轮传动由于其可以传递既0 i 平 行又不相交的两轴之f i ：t j 的运动和动力而被广泛地应用。变错轴斜齿轮的螺旋角 般较大，接近4 5 。左右，这使得交错轴刳齿轮受力后处于三维应力状态；并 且啮合时理沦上是点接触这使得我们需要在加载6 u 对交错轴斜齿轮啮合接触 的形状进行分析。 目前，国内外都把齿轮传动中强度问题的研究提商到相当重要的地位，传 统的比较粗略的计算已不能满足要求，这样就要求我们建立精确的三维齿轮模 型并且运用有限元等大型数值方法对模型进行分析和校核。本文通过交错轴斜 齿轮的实例给出了较为复杂的模型的建模、仿真以及分析过程和结果。 编程取渐丌线上的点的目的就是生成可以供p r o e 使用的文件，在p r o e 中调用此文件就可以生成渐开线曲线。用c 语言编写程序，无论是在方便程度 还是在灵活性上都比直接存p r o e 中绘制渐，f ：线更具有优势。利用c 语言编程 后可以方便地生成+ i b l 文件，这个文件可以直接被p r o e 软件调用生成图形。 用p r o e 中调用文件的形式生成齿轮端面的轮廓。然后运用p r o e 扫描、 混合、阵列等功能生成斜齿轮。这种建模方式的优点：用p r o e 扫描、混合的 功能生成的单个轮齿误差小，完全能满足有限元力学分析以及设计装配的需 凹j 1 1 人学坝十学位论文 要，它是一种较实用的方法。并且运用p r o e 建立的三维模型能够很容易地连 接到其他的分析软件中。比如和a n s y s 的连接就非常的方便。 a n s y s 软件虽然本身具有建模功能，但它的功能还不够强大。因此，它设置 了与多种c a d 软件立h p r o e ，u g ，a u t o c a d 等的数据交换接口。通过这个接口， 可以把由p r o e 建立的模型直接传人a n s y s 中，然后进行网格划分、加载求解等 过程。在网格化分中，我们采用了体扫掠这种高级的网格生成方式，生成了六 面体单元的三维网格。此种方法适用于一些复杂的三维实体模型。划分好网格 后，运用a n s y s 强大的有限元分析功能对斜齿轮进行应力分析和应变分析， 得到交错轴斜齿轮的应力和变形等强度参数。 关键词：交错轴斜齿轮仿真有限元应力强度 阳j i i 大学硕： 学位论文 s i m u l a t i o na n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f c r o s sh e l i c a lg e a r m e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：y a n g x i a o h u a s u p e r v i s o r ：y a n gr o n g s o n g t h i st e x ti n t r o d u c e ss y s t e m a t i c a l l y ：s i m u l a t i o na n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fc r o s sh e l i c a l g e a r t h em a i nc o n t e n ti n c l u d e s ：h o wt or e a l i z eb ym e a n so f p r o g r a m m i n gt h a tg e t sp o i n t sf r o m t h ei n v o l u t e ；h o wt ou s ep r o es o f t w a r et r a n s f e r r i n gt h eo u t s i d ef i l et oc r e a t et h ec r o s ss e c t i o n a l s h a p eo fg e a rt e e t ho fc r o s sh e l i c a lg e a r ；h o wt oc a r r yo nt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l i n ga n d a s s e m b l i n go f c r o s sh e l i c a lg e a r , a n dh o wt oa n a l y z ew i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h eg e a rp o w e rt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yi sa n i m p o r t a n t b r a n c ho ft h et e c h n o l o g i c a l s c i e n c e s ，t h er a n g eo fa p p l i c a t i o no fg e a rp o w e rt r a n s m i s s i o ni se x t r e m e l ye x t e n s i v e ；n e a r l y i n v o l v ee a c hd e p a r t m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n dt h et r a n s m i s s i o no fc r o s sh e l i c a lg e a rc a n t r a n s m i tb e c a u s eo ft h e i rs p o go fc r o s s i n gt w oa x l e sa n dp o w e rw i d e l ya p p l i c a t i o nn e i t h e r p a r a l l e ln o ri n t e r s e c t t h eh e l i xa n g l ei sg r e a tg e n e r a l l yt h a ti sc l o s et oa b o u t4 5 0 ，t h i s m a k e st h ec r o s sh e l i c a lg e a rb eu n d e rt ot h r e e d i m e n s i o n a ls t r e s ss t a t ea f t e ri ti sr e c e i v e d s t r e n g t h ；a n dc o n t a c tw i t hp o i n ti nt h e o r yw h e ng e a r sa f ee n g a g i n g t h i sm a k e sw em u s t a n a l y z et h ec o n t a c tf o r mb e f o r el o a d i n g a tp r e s e n t ，d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h ，i n t e n s i t yp r o b l e mi ng e a r p o w e r t r a n s m i s s i o ni tb r i n g st ob eq u i t ei m p o r t a n ts t a t u s ，t r a d i t i o n a lc a l c u l a t i o nc a n ta l r e a d ym e e tt h e d e m a n d s ，r e q u i r eu st os e tu pt h ea c c u r a t et h l e e - d i m e n s i o n a lg e a rw h e e lm o d e la n du s es u c h l a r g e s c a l en u m b e rv a l u em e t h o d sa st h ef i n i t ee l e m e n t ，e t c t oa n a l y z ea n dc h e c kt ot h em o d e l t h r o u g hi n s t a n c eo fc r o s sh e l i c a lg e a rt h et e x tp r o v i d e st h ec o u r s ea n dr e s u l to fc o m p l i c a t e d 四川大学硕士学位论文 m o d e lm o d e l i n g ，s i m u l a t i n ga n da n a l y s i s p r o g r a m m i n gt h a tg e t sp o i n t sf r o mt h ei n v o l u t et om a yt u r ni n t ot h ef i l ea v a i l a b l ef o rp r o e ， t h e nt r a n s f e r r i n gt h i sf i l ei n t op r o bt ot u r ni n t ot h ei n v o l u t ec u l v e w r i t i n gp r o c e d u r ew i t hc l a n g u a g ei sb e t t e rt h a nd r a w i n gi n v o l u t ew i t hp r o ed i r e c t l yi ne x p e d i e n c eo ra tf l e x i b i l i t y c a n p r o d u c e + i b l f i l ec o n v e n i e n t l ya f t e ru t i l i z i n gl a n g u a g ep r o g r a m m i n go fc ，t h i sf i l ec a nb e t r a n s f e r r e da n dt u r n e di n t ot h ef i g u r eb yp r o f _ , s o f t w a r ed i r e c t l y p r o d u c e t h e c o n t o u r l i n e o f t h e t e r m i n a l f a c eo f g e a r w h e e l f o r m t r a n s f e r r i n g t h e e x t e m a i f i l e w i t hp r o e t h e n ，u s es u c hf u n c t i o n sa ss c a n n i n g ，m i x i n g ，a r r a y , e t c t op r o d u c et h eo b l i q u eg e a r w h e e li np r o e t h e s ea d v a n t a g e so ft h i sk i n do fm o d e l i n gw a y ：s c a nw i t hp r o e ，e r r o rl i t t l eo f i n d i v i d u a lg e a rt e e t ht h a tc a l lm e e tf i n i t ee l e m e n tm e c h a n i c sa n a l y z ea n dd e s i g nt h en e e dt h a ti s a s s e m b l e dt o t a l l y , i ti sak i n do fm o r ep r a c t i c a lm e t h o d a n du s i n gt h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l s e t t i n gu pb yp r o ec a nb ec o n n e c t e dt o o t h e ra n a l y s i ss o l ( w a r ev e r ye a s i l y s u c ha st h e c o n n e c t i o nw i t ha n s y ss o f t w a r ei sc o n v e n i e n t t h o r l g ha n s y ss o , w a r eh a sm o d e l i n gf u n c t i o n si t s e l f , i t sf u n c t i o ni sn o ts t r o n ge n o u 曲s o ， i ts e t su pd a t ai n t e r f a c et oc o n n e c tw i t hm a n yk i n d so fc a ds o f t w a r e ，s u c ha sp r o e ，u g a u t o c a d ，e t c t h r o u g ht h ei n t e r f a c e ，t h em o d e lt h a tp r o es e tu pc a nb ei n t r o d u c e da n s y s d i r e c t l y t h e nw ec a nm e s h 1 0 a da n dd oo t h e rp r o c e s so i lt h em o d e l i nm e s h i n gg r i d d l i n g , 、v e h a v ea d o p t e da na d v a n c e dm e t h o dt h a tt h eb o d yi ss w e p ti th a sp r o d u c e dt h et h r e e d i m e n s i o n a l g r i d d l i n go ft h e h e x a h e d r o nu n i t t h i sk i n d o fm e t h o di ss u i t a b l ef o rs o m ec o m p l i c a t e d t h r e e d i m e n s i o n a le n t i t y sm o d e l s a f t e rm e s h i n gt h eg r i d d l i n g ，w ec a na n a l y z et h es t r e s sa n d s t r a i no f c r o s sh e l i c a lg e a r t og e t p a r a m e t e r so fs t r e s s a n ds t r a i ne t c k e yw o r d s ：c r o s sh e l i c a lg e a r , s i m u l a t e ，f i n i t ee l e m e n t s t r e s s ，i n t e n s i t y 髓川大学硕士学位论文 第1 章绪论 本章主要介绍了斜齿轮三维建模及有限元分析的研究现状及趋势；本课题 研究的意叉及主要的内容；三维建模软件发展的现状；有限元法和有限元分析 的简况 1 1 斜齿轮三维建模及有限元分析的研究现状及趋势 计算机辅助设计和辅助制造技术的发展使得人们在设计、制造机械产品时 越来越倾向于建立该产品的三维模型。p r o e 软件自1 9 8 8 年推出以来，凭借 着强大的功能，己成为最普及的3 dc a d c a m 系统，广泛应用于电子、机械、模 具、工业设计、汽车、自行车、航天、家电等行业”1 。 在另一方面有限元法的发展，使得对复杂零部件的分析变褥相对简单了许 多”。目前的有限元法正朝着：标准化、规范化、计算机化、应用规范化、普 及性。”等技术方向发展。而有限元分析已经成为现代机械产品设计中的一种重 要工具”1 。 随着三维制图软件和有限元分析软件的发展，人们对复杂的零部件的模型 建立以及应力、应变分析等问题煦研究更加深入了。 斜齿轮就是其中典型的零部件，很多的文献和资料就专门针对斜齿轮的问 题作了较深入的探讨。 在斜齿轮的三维建模方面主要的研究集中在：怎样生成渐开线齿廓；怎样 生成斜齿轮端面：用什么方法生成单个的轮齿这三个方面。下砥是几篇有代表 性的研究文献及它们主要研究的内容。 文献 1 3 基于精确模型的斜齿轮接触应力有限元分析研究了：使用p r o e 直接在p r o e 中生成渐开线，然后建立斜齿轮模型；导入a n s y s 中进行接触应力 分析。文献 6 基于u g 的斜齿轮三维参数化设计方法扫描成型法研究了： 使用u g 软件建立斜齿轮的三维模型，其中使用了法面扫描成型方法。这种法面 扫描成型有个缺点：斜齿轮的法面并非严格的渐开线齿廓。文献 8 基于u g 的渐开线斜齿轮参数化建模研究研究了：v b 编程实现u g 环境下渐开线斜齿轮 的参数化三维建模。 在斜齿轮的有限元分析方面主要的研究集中在：研究问题的所属类别比如 四川大学硕士学位论文 是研究接触分析还是弯曲分析还是温度场分析等；网格是如何划分的；约束和 加载状况如何；动态还是静态分析等。下面是几篇有代表性的研究文献及它们 主要研究的内容。 文献 9 斜齿轮弯曲强度三维有限元分析模型的建立及其程序实现提出 了一种建立斜齿轮轮齿弯曲强度三维有限元分析模型的方法，实现了有限元网 格和边界条件的自动生成，提出了确定最恶加载位置的方法，并推导了相应的 计算公式，全部算法实现程序化。文献 1 0 基于温度场分析的斜齿轮三维有 限元网格自动生成方法研究了：根据齿条型刀具加工齿轮的切制原理，用解 析法求得斜齿轮端面齿廓坐标，用坐标截面旋转法进一步计算轮齿上各点的坐 标，从而建立了一套适用于齿轮温度场分析的轮齿三维有限元网格自动生成方 法。文献 1 1 宽斜齿轮啮合过程三维接触有限元分析研究了：针对宽斜齿 轮，提出了轮齿在不同位置啮合时有限元网格及模型的自动生成方法，并开发 出相应的三维前后处理及接触分析程序，进行了轮齿啮合过理中应力应交的数 值分析。 此课题以后的发展将沿着如下的方向发展： 1 对三维建模软件进行二次开发，使其能快速、方便、灵活地建立斜齿轮 端面模型。 2 对于耦合场作用下的斜齿轮的应力、应变分析。 3 找出更加方便快捷地适应斜齿轮的网格划分方式或程序。 4 对斜齿轮加载方式和约束情况的更加深入探讨。 1 2 课题的研究目的、意义及主要内容 1 2 1 谍题的研究的目的 本研究对交错轴斜齿轮进行仿真，并对其进行有限元解析。交错轴斜齿轮 可以传递既不平行又不相交的两轴之间的运动和动力而被广泛应用。交错轴斜 齿轮中相互啮合的两个斜齿轮的螺旋角一般都超过4 0 。，其受力后处于三维应 力状态，这样就需要对其进行有限元的三维应力和应变分析；交错轴斜齿轮从 理论上齿面啮合是点接触，这样就需要对接触面形状及受力状况进行研究。 1 2 2 课题的研究的意义 由于齿轮在工业发展中所具有的突出地位，致使齿轮被公认为工业化的一 四川大学硕七学位论文 种象征。它的设计与制造水平将直接影响到机械产品的性能和质量。随着现代 工业的发展人们对齿轮的大小、承载畿力、嗓声、精度等工作参数有了越来越 高的要求“司“却3 。目前，国内外都把齿轮传动中振动和强度问题的研究提高 劲相当重要的地位，传统的比较粗略的计算己不能满足要求，有限元、边界元 等大型数值方法比较广泛地应用于齿轮传动的设计和校核“”。这就要求我们在 设计、制造、检测齿轮时能够运用和掌握更有效的设备和方法。目前，针对交 错轴斜齿轮研究的文献还比较少。 本研究的主要目的是对交错轴斜齿轮的三维仿真和用有限元的方法对斜齿 轮的三维应力和应变进行解析。用三维有限元方法计算斜齿轮的三维强度，较 常规的计算方法更符合实际情况，得到的结果更为可靠。雨且此方法还适于在 工程设计中使用。 1 2 3 本文研究的主要内容 在c + + 的环境中用c 语言编程的方法实现渐开线上取点。这种方法的优点是： 灵活，能够适用于所有的齿轮建模；易于和其它软件数据进行交流。 用p r o e 中调用文件的形式生成齿轮端面的轮廓。然后运用p r o e 扫描、 混合、阵列等功能生成斜齿轮。这种建模方式优点：用p r o e 扫描、混合的功 能生成的单个轮齿误差小，完全能满足有限元力学分析以及设计装配的需要， 它是一种较实用的方法。并且运用p r o e 建立的三维模型能够很容易地连接到 其他的分析软件中。比如和a n s y s 的连接就非常的方便。 把建立好的三维模型导入a n s y s 中。运用a n s y s 强大的有限元分析功能 对斜齿轮进行应力分拆积应变分析，得到应力积变形等强度参数。 本文主要内容的框架图如图卜1 所示： 用c 语言程序实现渐开线上取点 上 用p r o e 建立斜齿轮三维模型 0 用a n s y s 对其进行有限元分析 图卜1 本文主要内容框架图 四川丈学硕十学位论文 1 3 三维建模软件概述 随着计算机技术和现代工业的飞速发展，c a d c a m 也正经历着由二维设计 技术向三维设计技术的发展“。现在三维建模的应用软件很多：c a d 、p r o e 、 u g 、c a t i a 、s o l i de d g e 等。 现代的三维建模软件都在向着：易学易用、功能强大、互连互通方向发展。 所谓的易学易用是指只需要花少量的时间就可以学会这个软件而且快速上手。 所谓的功能强大是指无论零件几何图形的复杂性，还是产品部件的大小如何， 在整个工程中，用户完全有能力开发自己的产品。所谓的互连互通是指用户可 以高效地与同事、其他用户及供应商联系。 现在的三维建模软件基本都具备了以下的特点： 1 简洁的主模型表达。现在的三维建模软件大部分都拥有几何特征建模功 能，而几何特征建模功能优于体素建模。几何特征建模功能，携带的信息量大、 质量高，而且表达简单。这种简单的主模型表达方式为后边的快速、方便地制 造及装配提供了基础，同时对硬件资源的消耗也小。 2 灵活的管理方式。用“层”的管理方式对实体或几何特征进行管理，这 种管理方式只是对现实对象的过滤选择，不是从库中调入、调出因而速度快且 不易出错。 3 容错性强。是指挥自动拒绝一些超过范围的变量值并进行提示，不理会 些误操作，不会因为内容太多而潜伏一些错误。 4 强大的装配功能。能将大量零件同时调到工作面上进行装配。 5 很好的开放性。给用户提供对外输入、输出的数据模块及调用或执行外 部软件的接口，还提供了一些供二次开发的手段”。 1 4 有限元法 1 4 1 有限元法的含义 1 9 6 0 年c l o u g hrw 首先提出了“有限元”这一名称。现在，有限元法已 经成为了处理力学、物理、工程等计算问题的有效方法之m 仆。3 。 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) ：用有限个单元将连续体离散化，通 四川大学硕士学位论文 过对有限个单元作分片插值求解各种力学、物理问题的一种数值方法。现在 有限元在工程上得到广泛应用，理论和算法都己经日趋完善。 1 从方法论的角度来看有限元： ( 1 ) 有限元分析是分析综合法的应用 圈兰圈匕划= 匕刘 合成 f分解化整为零难化易 1合成积零为整复原型 图卜2 从分析综合法看有限元法 ( 2 ) 从力学渊源看，有限元分法是由剐架计算的矩阵位移法演变而 来的 l 裂蓍釜誓冀l 兰堕一薯装凳萋的l l 矩阵位移法ll 有限元法i 图1 3 从力学渊源角度看有限元 ( 3 ) 从数学角度看，有限元分析是连续问题的一种离散化近似解法 离散化 斗 图1 - 4 从数学角度看有限元法 四川丈学硕士学位论文 1 从力学分析的角度来看有限元法： 力学问题的解析可分为下列三类： ( 1 ) 解析法。 ( 2 ) 数值解法。常用的数值解析法有五类( 有限元法是其中一个影 响最大的) ( 3 ) 半解析法“。 有限元的理论基础是变分原理。“。有限元的核心思想是结构的离散 化，就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体，实际结构 的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出满足工程精度的近似结果来 替代对实际结构的分析，这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析 又无法解决的复杂问题。 1 4 2 有限元分析 有限元分析( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 的基本概念是用较简单 的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是有许多称为有限元的小 的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的( 较简单的) 近似解，然后 推导求解这个域总的满足条件，从而得到问题的解。这个解不是准确解， 而是近似解，因为实际问题被较为简单的问题所代替。 1 4 3 有限元法解决问题的基本步骤 简单地说，有限元分析可分为三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理 是建立有限元模型，完成单元网格划分；处理是利用在计算机中安装的分析软 件对建立的模型计算分析的过程；后处理则是采集处理分析结果，是用户能简 便提取信息，了解计算结果。 具体求解的步骤如下： 1 问题及求解域的确定。要进行有限元分析首先要明确要解决什么样的问 题，要得到什么样的结果以及求解的范围区域。 2 建立合适的模型。根据分析的需要可以对零部件进行整体的建模，也可 以只针对零部件中典型的特征再建立局部的模型并对其进行分析。建模的质量 将直接影响到后边的网格划分、单元体的选择、加载方式等等。因此，建立合 四大学硕士学位论文 适的模型也是进行有限元分析较重要的一步。 3 求解域的离散化。要理解这一点首先要明确有限元网格的划分。所谓有 限元网格划分是指将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限 个单元组成的离散域。显然单元越小( 网格越细) 则离散域的近似程度越好， 计算的结果也就越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有 限元法的核心技术之一。网格划分的优劣不仅影响计算的精度，有时甚至会因 为网格划分的问题使得问题求解失败。 4 单元推导。对单元构造一个合适的近似解，即推导有限元的列式。这其 中包含选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态 变量的离散关系，从而形成单元矩阵( 结构力学中称刚度阵或柔度阵) 。为保证 问题求解的收敛性，单元推导有很多原则要遵循，否则就可能导致求解的失败。 对工程应用而言，重要的是应该注意每一种单元的解题性能和约束。例如，单 元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求 解。因此，对于复杂形状的有限元分析是尽量不要采用自动网格生成，要使用 合适的规则的映射网格。 5 总装求解。将单元体总装形成离散域的总矩阵方程( 联合方程组) ，反应 对近似解的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装 是在相邻单元节点进行，状态变量及其导数连续性建立在节点处。有限元求解 的核心思想正是通过这种先离散再总装的做法体现出来的。 6 联立方程组求解。有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可 用直接法、迭代法和随机法。求解结果是单元节点处状态变量的近似值。对计 算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重 复计算。 7 结果显示。我们可以通过输出数值和图像的方法得到自己想要的结果。 当然，具体步骤中的很多步骤都是通过计算机中的有限元分析软件进行的， 并且其中的很多步骤是人工计算所不可能完成的。我们了解有限元分析的具体 步骤后就能够很清楚地知道这些有限元分析软件是如何运算的。这样，我们就 知道了哪些因素将影响我们最终的计算结果，我们就尽可能地设置和利用好这 些因素使我们的分析结果更接近实际状况。 用图示的方式表示有限元解决问题的基本步骤如图1 - 5 所示： 四j i i 大学硕十学位论史 斗附 图1 - 5 有限元解决问题的基本步骤 联 显 立 示 方结 程 果 组 求 解 1 5 小结 本章概括介绍了斜齿轮三维建模及有限元分析的研究现状分析及趋势；本 课题研究的目的、意义及主要内容；三维建模软件发展的现状；有限元法和有 限元分析的过程。 匹 川丈学硕士学位论文 第2 章运用c + + 环境建立渐开线轮齿的截面齿形 本章主要介绍如何运用c 语言编写程序确定渐开线上的点，以得到准确的 齿廓曲线。具体的内容有编程的思路、流程图以及具体程序的内容。运用程序 取点再建立三维模型充分利用了各软件自身的优点，在工程上对其他问题有一 定的借鉴作用 2 1 用编程方法在渐开线上取点 2 ，1 1 实现取点所用的软件环境 i c + + 语言 c + + 是- - f 广泛用于工业软件研发的大型语言。它自身的复杂性和解决现实 问题的能力，使其极具学术研究价值和工业价值。c + + 是一种混合型的面向对象 程序设计语言，是c 语言的扩充。它具有对传统c 语言的向后兼容性，很多c 语言编写的程序稍加改造就可以重用，许多有效的算法也可以继续利用：又具 有独特的面向对象特征，可以为面向对象技术提供全面支持，这是它对c 语言 最重要的改进。目前，c + + 语言已被应用于程序设计的众多领域，实践证明，它 尤其适用于中等和大型的程序开发项目。从开发时间、费用到形成软件的可靠 性、可重用性、可扩充性、可维护性等方面都显示出c + + 语言的优越性。 目前国内使用的计算机绝大多数都是p c 机，安装m i c r o s o f t 公司的w i n d o w s 操作系统。基于w i n d o w s 操作的软件主流开发环境主要有m i c r o s o f t 公司的 v i s u a lb a s i c 和v i s u a lc - 卜+ ，以及b o r l a n d 公司的c 十+ b u i l d e r 和d c l p h i ，其中 v i s u a lc + + 就是一种极为优秀的软件开发工具。 面向对象程序设计( o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ，o o p ) 方法，9 0 年代以 来已经成为程序设计的主流方向。v i s u a lc + + 是m i c r o s o f t 公司推出的开发 w i n 3 2 环境程序，面向对象的可视化集成编程系统。v i s u a lc + + 全面支持面向对 象的程序设计，在v i s u a lc + + 开发环境中可以方便地实现对象的类描述、封装 性、多态性和继承性等面向对象技术的基本特征“”“。它不但具有程序框架自 动生成，灵活方便的类管理，代码编写和界面设计集成交互操作，可开发多种 程序( 应用程序、动态链接库、a c t i v e x 控件等) 等优点，而且通过简单的设置 就可以使其生成的程序框架支持数据库接口、o l e 2 、w i n s o c k 网络、3 d 控件 四川大学硕上学位论文 界面。 基于v i s u a lc + + 的上述优点，本文将选择其作为编程的环境。 2 c 十+ 对c 语言改进的地方 c + + 对c 语言有些地方进行了改进，即c 十+ 提供的面向对象机制。下面，从 c + + 的数据类型类及面向对象的三个特性：封装性、继承性、多态性来阐述c + + 语言对c 语言的改进”。 ( 1 ) 数据类型类 类是一种用户自己定义的数据类型，与c 中的结构( s t r u c t ) 大致相同，但 也有不同之处，不同之处主要表现在以下两个方面：第一结构中的成员只能是 数据，不能是函数：而类中成员不仅可以是数据，而且可以是对数据进行操作 的函数，分别叫做类的数据成员和函数成员。第二，类中规定了哪些成员可以 访问，哪些成员不可以访问；而结构中并没有这种的规定，它相当于所有成员 都可以访问。属于某个结构的具体数据叫做结构体变量，而属于某个类的具体 数据叫做这个类的对象。c + + 规定，任何数据类型在使用之前必须先定义，类也 不例外。 ( 2 ) 面向对象的特征 1 ) 封装性：封装是指把一组数据和与这组数据有关的操作( 即函数) 放在一起， 从而构成一个对象。在c + + 中，数据封装是通过类来实现的。 2 ) 继承性：继承是c + + 面向对象程序设计的重要特性之一。它是指从个或多 个先前已存在的类的基础上建立一个新的类。已存在的类称为“基类”或“父类”： 新建立的类称为“派生类”或“子类”。派生类继承了基类的所有数据成员和函数 成员，并增加新的成员。 在c + + 中，定义派生类一般使用下面的格式： c l a s s 派生类名：访问控制基类名 成员说明列表 p u b l i c ： 成员说明列表 四大学硕士学位论文 3 ) 多态性：多态性是面向对象系统中的又一重要特性，它指的是不同的对象 使用相同的函数时可实现不同的功能。c 十+ 语言支持两种多态性：即编译时的 多态性和运行时的多态性。编译时的多态性是通过使用重载函数来实现的，到 底执行的哪个重载版本在编译时就可以知道，所以是相对静态的多态性，运行 时的多态性是用虚函数来实现的。虚函数提供了一种更为灵活的多态性机制。 虚函数允许函数调用与函数体之间的联系在运行时才建立，也就是在运行时才 决定如何动作，即所谓的“动态连接”。 2 1 2 实现取点的思路及流程图 1 我们要想用编程的方法找出渐开线上的点，我们首先就有必要了解有关 渐开线的方程。 ，j 良1 ” 0 5 * p 1 ) u f ：f l o a t ( p l 一( u c + u d ) ) ： e i s e u f = u c + u e ： x 4 = f t o a t ( r b * s i n ( u f ) ) ： y 4 = f l o a t ( r b * c o s ( u f ) ) ： i f ( n “切换”选项，开始绘制下一个截面。单 击“切换”之后，第1 个截面将变成灰色。 ( 3 ) 倒角工具及孔工具 倒角工具的功能是在实体的边上制作倒角。在创建倒角特征的时候，需要 制定的特征参数包括：倒角所在的边、倒角规格、倒角尺寸。倒角特征不能作 为实体的本体特征。孔工具可以在零件上制造通孔或盲孔。建立孔特征的时候， 需要指定的参数包括：参考平面、孔轴线位置、孔径、深度。应该注意的是： 孔工具是从现有的实体中减去一部分实体，因此孔工具不能作为一个特征。 ( 4 ) 阵列 阵列是按照一定的模式，生成多个形状类似的特征。从阵列的功能可以看 出，它需要现有的特征，因此阵列特征不能作为实体的本体特征。在创建特征 阵列的时候，需要指定的特征参数包括：需要增长的尺寸、增长量、以及副本 的个数。在w i l d f i r e 中，用户可以在特征阵列工具操控板内规定特征的所有参 数。但要注意的是：在打开特征工具操控板前，必须首先选择需要阵列的特征 对象；否则就无法打开操控板3 。 四丈学硬士学位论文 3 2 交错轴斜齿轮的建模过程 3 2 1 渐开线齿廓的生成的方法及过程 要建立实际的斜齿轮的截面齿廓就要根据工程图纸上所提供的参数进行编 写程序，实现在渐开线轮廓上取点。工程图纸上所给出的渐开线斜齿轮的参数 如表3 - i 所示： 表3 - i 渐开线斜齿轮的参数 法向模数m ，1 5 齿数z1 2 法向齿形角 口。2 0 。 齿顶高系数h 。j 1 螺旋角 84 6 0 5 17 0 0 螺旋方向 右 径向变位系数 0 中心距 a4 4 0 0 0 1 9 5 配对齿轮的齿数 z l3 0 配对齿轮的螺旋角 p ， 4 3 0 9 7 另外工程图纸上还可能提供一些配合尺寸和检验尺寸如：齿厚( 用公法线 长度及跨测齿数表示) 、中心距、配对齿轮、公差组等。 有关渐开线的形成、特点和方程在第2 1 2 节中作过较为详细的介绍，这 里不再赘述。根据这些参数以及减开线的方程，编写的渐开线上取点的程序内 容也已在第2 1 3 节中介绍过了。 用c + + 环境找渐开线上的点时，要注意：( 1 ) 要把齿顶圆到基圆分成n 一1 ( n 是在如图所示的渐开线上取点的个数) 等份。这样避免了有的地方点密集， 有的地方过于稀疏。( 2 ) 取完点后在输出的时候，可以将所有点转过基圆1 2 齿厚除以基圆半径这么大的角度。这样可以根据对称性找出另一条渐开线上的 点。( 3