一种基于ANSYS的摆线轮参数化分析方法

摘要

本发明公开了一种基于ANSYS的摆线轮参数化分析方法，包括如下步骤：步骤一、提取摆线轮与针齿的各项参数。步骤二、在ANSYS中开发摆线轮分析专用模块。步骤三、先后进入预处理、参数输入、前处理和求解模块，完成各项工作。步骤四、如果求解成功，进入后处理模块查看计算结果；如果求解不成功，返回第三步，修改参数值重新计算。步骤五、如果计算结果满足设计要求，执行第六步；如果不满足设计要求，返回第三步，修改参数值重新计算。步骤六、如果需要继续分析某参数对整体结构受力的影响，返回第三步，修改参数值进行重新计算；如果不需要重新计算则分析结束。

说明书

技术领域

本发明属于摆线针轮行星传动设计分析技术领域，特别是涉及一种基于ANSYS的摆线轮参数化分析方法。

背景技术

根据机械设计手册(第五版)第2卷，第9篇，第3章：摆线轮行星传动受力分析相关论述，摆线轮是摆线针轮行星传动中的核心部件，其受力情况较为复杂，必须进行力学相关验证计算。力学分析的核心是对摆线轮进行必要的应力、应变和变形分析，然后根据相关的计算结果判断摆线轮结构是否合理，并对摆线轮结构进行优化改进。传统的摆线轮设计有两种方法：其一，技术人员根据力学相关原理，采用摆线轮和针齿齿面接触应力相关公式进行校核计算，确保摆线轮和针齿在啮合过程中能够正常安全工作，该方法只能分析齿面的接触应力，对于摆线轮上孔的大小和孔的位置分布等因素对其强度的影响并没有合适的公式进行计算分析，同时该方法对技术人员的力学知识要求较高，当摆线轮的尺寸和载荷发生变化时需要工作人员的重复性工作，效率低下；其二，采用实验方法，该方法在精度上具有无可比拟的优点，但其缺点也是非常突出，费用高昂，操作复杂，费时费力，一般在设计定型投入使用前用该方法进行最后的强度验证，不适于在设计过程中使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于ANSYS的摆线轮参数化分析方法；该方法具有节约分析成本、效率高和可靠性好的特点。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种基于ANSYS的摆线轮参数化分析方法，包括如下步骤：

步骤一、提取基本参数：综合分析影响摆线轮和针齿工作的各项参数，进行整合分类，按类别提取摆线轮几何参数、针齿几何参数、摆线轮与针齿配合参数、摆线轮与针齿材料特性参数、载荷参数和模型参数，并将上述参数按照表格形式进行编制；

步骤二、在ANSYS中开发摆线轮分析专用模块：应用ANSYS脚本语言APDL编写可实现摆线轮力学分析的参数化程序，生成宏文件，开发摆线轮分析专用模块，该模块包括预处理、参数输入、前处理、求解和后处理五个部分。

2.1预处理

运用/CWD命令指定工作目录，使后续分析中生成的所有的文件都放在该工作目录下；两次运用*ASK命令，分别实现分析文件名和分析标题名的交互输入，方便参数更改后不同分析文件的保存。运用*CREATE，…*END命令，生成预处理宏文件，将上述命令流程序写入该宏文件。

2.2参数输入

多次运用multipro,'start',…multipro,'end'命令，分别实现摆线轮几何参数、针齿几何参数、摆线轮与针齿装配参数、摆线轮与针齿材料特性参数、载荷参数和模型参数的交互输入。多次运用*CREATE，…*END命令，生成摆线轮几何参数输入、针齿几何参数输入、摆线轮与针齿装配参数、摆线轮与针齿材料特性参数、载荷参数和模型参数六个独立的宏文件，分别将命令流程序写入这些对应的宏文件。

2.3前处理

建立参数化几何模型：

几何建模过程采用自底向上形式，具体过程为：1)根据摆线方程采用*DO循环命令，生成摆线上的几个离散点，然后运用SPLINE命令拟合成一条完整的摆线，2)将全局坐标系调整为柱坐标系，采用COPY命令生成完整的摆线轮外廓线，3)运用AL命令将摆线轮外廓线生成一个面，4)多次运用CYL4命令生成摆线轮上的分布孔，4)运用ASBA和VOFFST命令生成摆线轮三维模型，5)在柱坐标系下采用CYL4和COPY命令生成针齿面，6)选中第5)步中生成的针齿面运用VOFFST命令拉伸出针齿三维模型。几何模型的所有尺寸数据都实现了参数化，只要在参数交互输入对话框中修改相应的参数，几何模型就会发生相应的变化，方便分析不同几何参数对整体结构的影响。运用*CREATE，…*END命令，生成几何建模宏文件，将几何建模的命令流程序写入该宏文件。

网格划分：

网格划分具体过程为：1)多次运用MP命令分别为摆线轮和针齿指定弹性模量和泊松比材料特性，2)用ET命令指定单元类型，3)用ESIZE命令指定单元大小，4)用VSWEEP命令将几何模型划分为六面体网格模型。运用*CREATE，…*END命令，生成网格划分宏文件，将网格划分的命令流程序写入该宏文件。

位置约束：

位置约束包括针齿位置约束和摆线轮位置约束，设置过程如下：1)将全局坐标系调整为柱坐标系，根据位置关系将属于针齿的节点都选出来，运用D命令将UX、UY、UZ、VELX和VELY的自由度都约束，2)将属于摆线轮中心孔面上的所有节点都选出来，运用D命令将UX、UY、UZ、VELX和VELY的自由度都约束。运用*CREATE，…*END命令，生成位置约束宏文件，将位置约束的命令流程序写入该宏文件。

接触设置：

针齿参与接触的面作为目标面，摆线轮上参与接触的面作为接触面，具体过程如下：1)首先运用MP命令设定接触摩擦系数，R命令设定接触间隙和法向接触刚度，2)将全局坐标系调整为柱坐标系，运用VSEL命令根据位置关系将参与接触的针齿三维实体选出来，3)运用ASLV命令将属于1)步骤中针齿三维实体的外表面选出来，继续运用ASLV命令根据位置关系将针齿参与啮合的表面选出来，4)运用NSLA命令将针齿啮合表面上的所有节点都选出来作为目标面接触节点，5)同理按照2)-4)的思路选择摆线轮上参与接触的节点作为接触面的接触点，完成接触设置。该接触设置中目标单元为TARGE170，接触单元为CONTA174。运用*CREATE，…*END命令，生成接触设置宏文件，将接触设置的命令流程序写入该宏文件。

施加载荷：

载荷施加位置为左右两侧圆孔上，具体施加过程如下：1)首先根据坐标关系在左侧圆孔中心处创建关键点，在关键点上创建11号局部柱坐标系，并将当前坐标系指定为该局部坐标系，2)运用ASEL命令根据坐标关系选择左侧中心孔表面，用NSLA将属于表面上的所有节点选中，用NROTAT命令将选定的节点坐标系均改为11号局部柱坐标系，3)运用F命令对选定的节点施加FY项载荷，即摆线轮左侧孔上受到的转矩，4)同理按照1)-3)的思路创建12号局部柱坐标系，为右侧圆孔施加转矩，载荷施加完成。运用*CREATE，…*END命令，生成载荷施加宏文件，将施加载荷的命令流程序写入该宏文件。

2.4求解

运用/SOLU命令进入求解模块，ANTYPE命令指定分析类型为静力学分析，TIME命令指定求解总时间为1，NSUBST命令指定求解步为100，EQSLV指定求解器为PCG，SOLVE命令进行求解，求解完成后用FINISH退出求解模块。运用*CREATE，…*END命令，生成求解宏文件，将求解计算的命令流程序写入该宏文件。

2.5后处理

运用PLNSOL,S,EQV,…显示等效应力；PLNSOL,EPTO,EQV,…显示等效应变，PLNSOL,U,SUM,…显示变形；PLNSOL,CONT,PRES,…显示接触应力；PLVECT,U,…显示位移矢量；PLVECT,S,…显示应力矢量。多次运用*CREATE，…*END命令，生成显示等效应力、显示等效应变、显示变形、显示接触应力、显示位移矢量和显示应力矢量六个独立的宏文件，分别将上述的命令流程序写入到对应的宏文件中。

2.6开发专用工具条：

1)创建第一个.ABBR文件，两次运用*ABBR命令创建预处理和求解工具条按钮，使按钮能够分别调用后台对应的宏文件；多次运用*ABB命令创建参数输入、前处理和后处理一级嵌套按钮，可以进入二级子工具条。

2)创建第二个.ABBR文件，多次运用*ABBR命令创建摆线轮参数输入、针齿几何参数输入、摆线轮与针齿装配参数输入、材料特性参数输入、载荷参数输入、模型参数输入和返回一级工具条七个二级工具条按钮，该二级工具条属于参数输入的子工具条,使前六项按钮能够分别调用后台对应的宏文件；运用*ABB,RETURN,ABBRES,,XXX,ABBR命令实现从此二级子工具条返回到一级工具条，其中XXX为第一个.ABBR文件的文件名。

3)创建第三个.ABBR文件，多次运用*ABBR命令创建几何建模、网格划分、接触设置、位移约束、施加载荷和返回一级工具条六个二级工具条按钮，该二级工具条属于参数输入的子工具条,使前五项按钮能够分别调用后台对应的宏文件；运用*ABB,RETURN,ABBRES,,XXX,ABBR命令实现从此二级子工具条返回到一级工具条，其中XXX为第一个.ABBR文件的文件名。

3)创建第三个.ABBR文件，多次运用*ABBR命令创建显示等效应力、显示等效应变、显示变形、显示接触状态、显示位移矢量、显示应力矢量和返回一级工具条七个二级工具条按钮，该二级工具条属于后处理的子工具条，使前六项按钮能够分别调用后台对应的宏文件；运用*ABB,RETURN,ABBRES,,XXX,ABBR命令可实现从此二级子工具条返回到一级工具条，其中XXX为第一个.ABBR文件的文件名。

4)将所有宏文件放在同一目录下，打开ANSYS安装目录下的startXX(XX为软件版本号)文件，运用/PSEARCH命令指定宏文件的存放位置，复制第一个.ABBR文件中所有内容保存在该文件中。

正常启动ANSYS软件，在Toolbar下方出现摆线轮力学分析专用工具条模块，完成摆线轮分析专用模块开发工作。

步骤三、进入预处理模块，指定工作路径，交互输入文件名和标题名；进入参数输入模块交互输入基本参数值；进入前处理模块，自动完成几何建模、网格划分和施加位移与载荷等工作；进入求解模块自动完成计算。

步骤四、如果求解成功，进入后处理模块查看应力、应变和变形等计算结果；如果求解不成功，返回第三步，修改相关参数值，进行重新计算直到成功为止。

步骤五、分析计算结果是否满足设计要求，如果满足设计要求，执行第六步；如果计算结果不满足设计要求，返回第三步，修改相关参数值，进行重新计算直到满足设计要求。

步骤六、如果需要继续分析某参数对整体结构受力的影响，返回第三步，修改参数值进行重新计算，直到所有参数分析完成，分析结束；如果只是对某现有结构做验证分析，不需要继续分析某参数对整体结构的受力影响，则分析结束。

本发明具有的优点和积极效果是：

本发明与现有技术相比，改进了摆线针轮力学分析方法，比起传统的分析方法大大缩短了设计时间，减少了设计费用。应用ANSYS脚本语言APDL开发的摆线针轮力学分析专用模块，通过简单的修改参数可反复分析各种尺寸，不同材料，不同载荷的多种设计方案或设计工况的受力情况，极大的提高了分析效率，减少了分析成本。

附图说明：

图1为本发明优选实施例的流程图；

图2为本发明优选实施例摆线轮分析专用模块整体框架

图3为摆线轮与针齿几何参数符号示意图

图4a为本发明优选实施例的一级工具条；

图4b为02-PARAMETERS下属二级子工具条；

图4c为03-PRE-PROCESSOR下属二级子工具条；

图4d为05-PLOT-RESULT下属二级子工具条；

图5a为分析文件名交互输入对话框；

图5b为分析标题名交互输入对话框；

图6a为摆线轮几何参数输入交互对话框；

图6b为针齿几何参数输入交互对话框；

图6c为摆线轮与针齿材料特性输入交互对话框；

图6d为摆线轮与针齿装配参数输入交互对话框；

图6e为载荷特性参数输入交互对话框；

图6f为模型参数输入交互对话框；

图7a为摆线轮和针齿啮合的几何模型；

图7b为六面体网格模型；

图7c为有限元模型；

图8a为等效应力图；

图8b为等效应变图变形图；

图8c为变形图；

图8d为接触应力图；

图8e为应力矢量图；

图8f为位移矢量图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

为克服传统技术的缺陷，本发明所采用的技术解决方案是：一种基于ANSYS的摆线轮参数化分析方法，整体流程如图1所示，首先提取影响摆线轮和针齿工作的各项参数；应用APDL脚本语言编写可实现摆线轮力学分析的参数化程序，生成宏文件，在ANSYS软件中开发摆线轮分析专用模块，该模块包括预处理、参数输入、前处理、求解和后处理五个部分，整体框架如图2所示；在预处理模块自动指定工作路径，交互输入文件名和标题名；在参数输入模块，通过开发后的交互界面为摆线轮和针齿基本参数赋值；在前处理模块自动完成几何建模、网格划分、约束与载荷施加等前处理工作；在求解模块，自动完成求解计算；求解成功后，在后处理模块中查看相应的应力、应变和变形等计算结果；根据计算结果分析结构是否满足设计要求，是否修改参数进行重新计算，直到最后结束，具体步骤如下：

1、提取基本参数：

综合分析影响摆线轮和针齿工作的各项参数，进行整合分类，按类别编制如下表格1-6，其中几何参数中各项参数符号与图3中的符号一一对应。

表1摆线轮几何参数

表2针齿几何参数

表3摆线轮与针齿装配参数

表4摆线轮与针齿材料特性参数

表5载荷特性参数

表6模型参数

2、在ANSYS中开发摆线轮分析专用模块

应用ANSYS脚本语言APDL编写可实现摆线轮力学分析的参数化程序，生成宏文件，开发摆线轮分析专用模块，该模块包括预处理、参数输入、前处理、求解和后处理五个部分。

2.1预处理

运用/CWD命令指定工作目录，使后续分析中生成的所有的文件都放在该工作目录下；两次运用*ASK命令，分别实现分析文件名和分析标题名的交互输入，方便参数更改后不同分析文件的保存。运用*CREATE，…*END命令，生成A01_PRE_WORK.MAC宏文件，将上述命令流程序写入该宏文件。

2.2参数输入

多次运用multipro,'start',…multipro,'end'命令，分别实现摆线轮几何参数、针齿几何参数、摆线轮与针齿装配参数、摆线轮与针齿材料特性参数、载荷特性参数和模型参数的交互输入。多次运用*CREATE，…*END命令，生成B02_CYCLOID_GEA.MAC、B02_NEEDLE_TEETH.MAC、B02_MESHING.MAC、B02_MATERAIL.MAC、B02_LOADING.MAC和B02_MODLE.MAC六个独立的宏文件，分别将命令流程序写入这些对应的宏文件中。

2.3前处理

建立参数化几何模型：

几何建模过程采用自底向上形式，具体过程为：1)根据摆线方程采用*DO循环命令，生成摆线上的几个离散点，然后运用SPLINE命令拟合成一条完整的摆线，2)将全局坐标系调整为柱坐标系，采用COPY命令生成完整的摆线轮外廓线，3)运用AL命令将摆线轮外廓线生成一个面，4)多次运用CYL4命令生成摆线轮上的分布孔，4)运用ASBA和VOFFST命令生成摆线轮三维模型，5)在柱坐标系下采用CYL4和COPY命令生成针齿面，6)选中第5)步中生成的针齿面运用VOFFST命令拉伸出针齿三维模型。几何模型的所有尺寸数据都实现了参数化，只要在参数交互输入对话框中修改相应的参数，几何模型就会发生相应的变化，方便分析不同几何参数对整体结构的影响。运用*CREATE，…*END命令，生成B03_MODLE_MX.MAC宏文件，将几何建模的命令流程序写入该宏文件。

网格划分：

网格划分具体过程为：1)多次运用MP命令分别为摆线轮和针齿指定弹性模量和泊松比材料特性，2)用ET命令指定单元类型，3)用ESIZE命令指定单元大小，4)用VSWEEP命令将几何模型划分为六面体网格模型。运用*CREATE，…*END命令，生成B03_MESH_MX.MAC宏文件，将网格划分的命令流程序写入该宏文件。

位置约束：

位置约束包括针齿位置约束和摆线轮位置约束，设置过程如下：1)将全局坐标系调整为柱坐标系，根据位置关系将属于针齿的节点都选出来，运用D命令将UX、UY、UZ、VELX和VELY的自由度都约束，2)将属于摆线轮中心孔面上的所有节点都选出来，运用D命令将UX、UY、UZ、VELX和VELY的自由度都约束。运用*CREATE，…*END命令，生成B03_DISPLACE.MAC宏文件，将位置约束的命令流程序写入该宏文件。

接触设置：

针齿参与接触的面作为目标面，摆线轮上参与接触的面作为接触面，具体过程如下：1)首先运用MP命令设定接触摩擦系数，R命令设定接触间隙和法向接触刚度，2)将全局坐标系调整为柱坐标系，运用VSEL命令根据位置关系将参与接触的针齿三维实体选出来，3)运用ASLV命令将属于1)步骤中针齿三维实体的外表面选出来，继续运用ASLV命令根据位置关系将针齿参与啮合的表面选出来，4)运用NSLA命令将针齿啮合表面上的所有节点都选出来作为目标面接触节点，5)同理按照2)-4)的思路选择摆线轮上参与接触的节点作为接触面的接触点，完成接触设置。该接触设置中目标单元为TARGE170，接触单元为CONTA174。运用*CREATE，…*END命令，生成B03_CONTACT.MAC，将接触设置的命令流程序写入该宏文件。

施加载荷：

载荷施加位置为左右两侧圆孔上，具体施加过程如下：1)首先根据坐标关系在左侧圆孔中心处创建关键点，在关键点上创建11号局部柱坐标系，并将当前坐标系指定为该局部坐标系，2)运用ASEL命令根据坐标关系选择左侧中心孔表面，用NSLA将属于表面上的所有节点选中，用NROTAT命令将选定的节点坐标系均改为11号局部柱坐标系，3)运用F命令对选定的节点施加FY项载荷，即摆线轮左侧孔上受到的转矩，4)同理按照1)-3)的思路创建12号局部柱坐标系，为右侧圆孔施加转矩，载荷施加完成。运用*CREATE，…*END命令，生成B03_LOADING.MAC宏文件，将施加载荷的命令流程序写入该宏文件。

2.4求解结算

运用/SOLU命令进入求解模块，ANTYPE命令指定分析类型为静力学分析，TIME命令指定求解总时间为1，NSUBST命令指定求解步为100，EQSLV指定求解器为PCG，SOLVE命令进行求解，求解完成后用FINISH退出求解模块。运用*CREATE，…*END命令，生成A04_SOLVE.MAC文件，将求解计算的命令流程序写入该宏文件。

2.5后处理

运用PLNSOL,S,EQV,…显示等效应力；PLNSOL,EPTO,EQV,…显示等效应变，PLNSOL,U,SUM,…显示变形；PLNSOL,CONT,PRES,…显示接触应力；PLVECT,U,…显示位移矢量；PLVECT,S,…显示应力矢量。多次运用*CREATE，…*END命令，生成B05_MISES_STRESS.MAC、B05_MISES_STRAIN.MAC、B05_DISPLACEMENT.MAC、B05_CONTACT_PRESSURE.MAC、B05_VECTOR_DISPLACEMENT.MAC和B05_VECTOR_STRESS.MAC六个独立的宏文件，分别将上述的命令流程序写入到对应的宏文件中。

2.6开发专用工具条：

1)新建TEMP0.ABBR文件，两次运用*ABBR命令创建01-PRE-WORK和04-SOLVE工具条按钮，使按钮能够分别调用后台的A01_PRE_WORK.MAC和04_SOLVE.MAC宏文件；多次运用*ABB命令创建02-PARAMETERS、03-PRE-PROCESSOR和05-PLOT-RESULT一级嵌套按钮，可以进入二级子工具条。

2)新建TEMP1.ABBR文件，多次运用*ABBR命令创建02-1CYCLOID-GEA、02-2NEEDLE-TEETH、02-3MESHING、02-4MATERAIL、02-5LOADING、02-6MODLE和02-7RETURN二级工具条按钮，该二级工具条属于02-PARAMETERS的子工具条,使前六项按钮能够分别调用02_CYCLOID_GEA.MAC、02_NEEDLE_TEETH.MAC、02_MESHING.MAC、02_MATERAIL.MAC、02_LOADING.MAC和02_MODLE.MAC宏文件；运用*ABB,RETURN,ABBRES,,TEMP0,ABBR命令实现从此二级子工具条02-7RETURN返回到一级工具条。

3)新建TEMP2.ABBR文件，多次运用*ABBR命令创建03-1MODLE-MX、03-2MESH-MX、03-3CONTACT、03-4DISPLACE、03-5LOADING和03-6RETURN二级工具条按钮，该二级工具条属于03-PRE-PROCESSOR的子工具条,使前五项按钮能够分别调用03-MODLE-MX.MAC、03-MESH-MX.MAC、03-CONTACT.MAC、03-DISPLACE.MAC和03-LOADING.MAC宏文件；运用*ABB,RETURN,ABBRES,,TEMP0,ABBR命令实现从此二级子工具条03-6RETURN返回到一级工具条。

4)新建TEMP3.ABBR文件，多次运用*ABBR命令定义05-1MISES-STRESS、05-2MISES-STRAIN、05-3DISPLACEMENT、05-4CONTACT-PRESSURE、05-5VECTOR-DISPLACEMENT、05-6VECTOR-STRESS和05-7RETURN二级工具条按钮，该二级工具条属于一级工具条按钮05-PLOT-RESULT的子工具条，使前六项按钮能够分别调用05_1MISES_STRESS.MAC、05_2MISES_STRAIN.MAC、05_3DISPLACEMENT.MAC、05_4CONTACT_PRESSURE.MAC、05_5VECTOR_DISPLACEMENT.MAC和05_6VECTOR_STRESS.MAC；宏文件；运用*ABB,RETURN,ABBRES,,TEMP0,ABBR命令可实现从此二级子工具条05-7RETURN返回到一级工具条。

5)将所有宏文件放在同一目录下，打开ANSYS安装目录下的startXX(XX为软件版本号)文件，运用/PSEARCH命令指定宏文件的存放位置，复制TEMP0.ABBR文件中所有内容保存在该文件中。

正常启动ANSYS软件，在Toolbar下方出现如图4a所示的一级工具条，4b、4c和4d所示二级工具条，完成摆线轮分析专用模块开发工作。

3、完成预处理工作：

以某一型号的摆线轮分析为例，进入预处理模块，自动指定工作路径，出现如图5a和5b所示的交互界面，完成分文件名和标题名的命名。

4、完成参数输入工作：

进入参数输入模块，出现如图6a、6b、6c、6d、6e和6f参数交互输入界面，完成各项参数的赋值。

5、完成前处理工作：

进入前处理模块，自动完成几何建模、网格划分、接触设置、位移约束和载荷施加，其几何模型如图7a所示，六面体网格模型如图7b所示，有限元网格模型如图7c所示。

6、完成求解工作：

进入求解模块，自动完成求解。

7、后处理工作：

求解成功后，进入后处理模块，查看各项计算结果，其中等效应力如图8a所示，等效应变如图8b所示，变形如图8c所示，接触应力如图8d所示，位移矢量如图8e所示，应力矢量如图8f所示。对计算结果进行分析，满足设计要求，本次分析仅作为结构验证，不需要继续分析某参数变化对整体结构受力的影响，分析结束。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。