基于CAE的减速器优化设计分析系统

摘要

减速器作为机械传动的一种重要形式,已经广泛地应用在石油、化工、船舶、汽车等各个领域,直接关系着动力传递的效率与可靠性。但随着设备对传动系统的要求向高速、重载、轻量化方向的发展,开展对齿轮传动系统的强度、振动噪声等领域的研究已经成了该领域的主要课题。
　　应用常规的方法,固然可以完成普通减速器的设计。但减速器的高速、重载、轻量化等特殊工况的要求,导致系统的强度、振动、噪声,以及尺寸、结构型式等都会直接或者间接地影响减速器的工作状态和工作效率。减速器箱体、轴以及齿轮的强度会影响到减速器的使用寿命,它们的结构设计的好坏,直接影响到整个减速器的动态性能。因此如何开发一款针对性强的减速器优化分析系统,针对减速器各个零部件的设计进行专门的有限元模拟分析,来保证减速器的优良的运转性能,成了工程技术人员的研究目标。
　　本文深入分析了减速器的国内外研究现状,重点探讨了CAD/CAE技术在减速器上的应用,通过分析得出了未来 CAD/CAE技术在减速器上应用的发展趋势。以通用型减速器作为研究对象,详细介绍了二级减速器的基本结构型式,并对其中的关键零部件——齿轮、轴以及箱体的结构作了简要的介绍。从各关键零部件的失效形式入手,探讨了减速器的故障类型,以及产生故障的原因。针对近年来对齿轮传动系统振动噪声方向的关注,详细分析了振动噪声产生的机理。这为后面章节对减速器各部件的有限元分析结果的有效性检验,提供了可参考的依据。
　　针对在有限元软件中通过其他 CAD软件导入模型而产生的数据丢失问题,本文注重利用ANSYS软件来实现减速器关键零部件的参数化建模与有限元分析,从而避免了数据丢失的情况。首先详细推导了基于加工的圆柱齿轮的数学模型,在 ANSYS环境下,采用“自底向上”的建模方法,用ANSYS的二次开发语言APDL编制了减速器关键零部件的参数化模型。在此基础上,为了实现对这些通用零部件分析过程的标准化,利用VC++开发工具,编制了ANSYS与 VC++通信的接口程序,实现了对ANSYS的后台调用。把编制的关于对关键零部件的三维模型建立、应力应变分析以及模态分析的APDL程序进行后台封装,实现对模型建立,有限元分析过程的参数化。所开发的系统能够对数据处理过程中生成的结果文件采用数据库技术进行管理与保存,降低了数据文件对系统执行效率的削弱程度。并在文件的最后给出了系统的应用实例,所得到的分析结果与故障分析章节所得到的结论保持了较好的一致性。
　　本文开发的减速器优化分析系统具有良好的人机交互界面,操作简单方便,特别适合于在减速器设计阶段对模型进行反复修改,并验算分析,指导工程师进行合理的优化设计。使开发设计人员从繁重复杂的有限元建模与试算工作中解脱出来,大大提高了产品开发的效率,也间接地为企业迅速占领市场带来了时间上的保证。

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Contents

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 减速器CAD/CAE技术的研究发展趋势

1.4 主要研究内容与论文结构安排

第2章 减速器基本结构型式及故障类型分析

2.1 减速器概述

2.2 减速器基本结构型式

2.3 减速器的典型故障分析

2.4 减速器的振动噪声产生机理分析

2.5 本章小结

第3章 减速器关键零部件的参数化设计

3.1 参数化设计的目的与原理

3.2 ANSYS软件简介

3.3 APDL二次开发语言简介

3.4 基于加工的齿轮数学模型的建立

3.5 齿轮的参数化实现

3.6 轴和箱体的参数化实现

3.7 本章小结

第4章 基于CAE的减速器分析系统开发

4.1 系统总体设计与开发

4.2 开发平台选择

4.3 数据库选用

4.4 减速器优化分析系统的实现

4.5 本章小结

第5章 系统应用实例

5.1 几种数值分析方法的比较

5.2 有限元与几种典型分析方法的理论

5.3 齿轮接触分析算例

5.4 轴的应力应变与模态分析算例

5.5 箱体的应力应变与模态分析算例

5.6 本章小结

总结与展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢