光声成像系统中传动机构的实体造型与有限元分析

摘要

近年来，光声成像技术发展成为一种新型的生物医学影像技术，它具有无损，分辨率高等优点，尤其适合肿瘤的早期检测。中科院深圳先进技术研究院宋亮博士带领其研究团队搭建了多套光声成像系统，处于国内领先地位。
　　在基于单探头环形扫描方式的光声断层成像系统中，换能器及激光探头需要围绕待测对象作旋转运动，以获得组织不同位置的光声信号。而换能器和激光探头的旋转运动都是由电机控制的，电机输出轴与换能器之间的传动结构十分重要，这是由于动力传递过程中的振动会影响光声信号的采集质量。因此，有必要对系统的传动结构进行一定研究与分析。考虑到传动的平稳性要求，我们选择蜗杆传动方式。
　　本文主要基于环形扫描光声成像传动系统中的阿基米德蜗杆（ZA蜗杆）为研究对象，建立三维实体模型。利用有限元分析软件ANSYS Workbench对蜗杆传动过程进行表面接触分析。空间曲面的接触分析一般较难分析，它涉及到摩擦、接触状态等方面。本论文详细叙述了接触分析的基本步骤、网格划分流程、约束的定义以及对蜗轮蜗杆的载荷施加方式。
　　1.介绍整理了阿基米德蜗杆、蜗轮的齿面方程的数学模型，以及蜗轮轮齿两侧齿面数学表达式，据此作为建立阿基米德蜗杆传动模型的理论基础。
　　2.由于蜗杆和蜗轮的表面形状较复杂、加工要求精度高，着重探讨了ZA蜗杆和蜗轮轮齿的数学模型以及建模方法，利用SolidWorks实体建模方法对蜗轮、蜗杆进行了三维建模，并进行了装配仿真。
　　3.叙述了ANSYS Workbench软件对三维模型常用的分析方法与理论。采用静力学理论分析了ZA蜗杆传动的接触问题，经过前处理、计算求解、后处理过程，最终得到蜗轮与蜗杆相接触表面的应力大小。
　　4.对比接触应力理论计算结果与有限元分析的实际情况，从得到结果可以看出两者的接触应力值相差并不大，说明采用有限元法分析蜗轮蜗杆之间的接触应力还是比较准确的。分析了两种常见的安装误差，分别对两种安装误差情况下的接触应力大小分析进行比较。结果表明，当安装误差越大，齿面的应力值就越大，即承受的载荷就越大，降低蜗轮蜗杆的使用寿命。与事实情况相符合。
　　5.对于实体建模，并没有给出选择建模参数的具体依据，而是通过经验确定建模参数。因此，还需对蜗杆传动机构进行了优化设计，以设计参数为优化变量，以蜗轮体积最小为优化目标，综合考虑了蜗杆传动机构的齿数约束、模数约束、蜗杆直径系数、蜗杆刚度约束等条件，利用数值分析软件MATLAB优化工具箱对蜗杆传动机构进行多目标约束极小值优化，最终确定优化方案。节约了设计材料，提高了蜗杆传动的质量。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 光声成像的原理与发展情况

1．3 蜗杆传动的国内外研究概况

1．4 本论文的主要研究工作成果

第2章 ZA蜗杆数学模型及实体建模

2．1 蜗轮蜗杆的分类

2．2 蜗杆传动建模方式的选取

2．3 蜗杆螺旋面的数学模型

2．3．1 车削蜗杆时的坐标系及变换

2．3．2 车刀刃口直线方程

2．3．3 蜗杆齿面方程

2．3．4 蜗杆齿面法线

2．4 蜗轮轮齿的数学模型

2．4．1 蜗杆传动啮合坐标系

2．4．2 蜗杆蜗轮啮合表达式

2．4．3 蜗轮的齿面方程

2．5 ZA蜗杆实体建模介绍

2．5．1 三维建模软件SolidWorks介绍

2．5．2 常见的三维建模方法介绍

2．5．3 特征建模技术

2．5．4 实体建模技术

2．6 蜗轮蜗杆三维实体建模过程

2．6．1 阿基米德蜗杆的传动参数计算

2．6．2 蜗杆的特征造型

2．6．3 蜗轮的三维模型建立

2．7 本章小结

第3章 ZA蜗杆传动的有限元处理

3．1 ANSYS Workbench简介

3．1．1 ANSYS Workbench的特点

3．2 接触问题基本概念

3．3 常见接触方式及算法

3．4 有限元基础理论

3．5 接触分析的有限元法

3．6 静态接触分析的具体过程

3．6．1 定义蜗轮蜗杆的材料属性

3．6．2 ZA蜗杆副有限元模型的建立

3．6．3 创建接触对

3．6．4 网格划分控制

3．6．5 定义约束及施加载荷

3．6．6 求解与结果分析

3．7 本章小结

第4章 安装误差对传动的影响

4．1 理论计算与有限元仿真的结果对比

4．2 存在安装误差下的ZA蜗杆传动的有限元分析

4．2．1 中心距偏差Δa时蜗杆传动的接触分析

4．2．2 存在蜗轮轴向安装误差Δb时的接触分析

4．3 本章小结

第5章 蜗杆传动机构的优化设计

5．1 机械产品的优化设计流程

5．2 MATLAB优化工具箱介绍

5．3 建立优化数学模型

5．3．1 确定目标函数

5．3．2 确定约束条件

5．3．3 建立蜗杆传动优化设计的数学模型

5．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果