基于SolidWorks与ANSYS的螺旋伞齿轮虚拟设计

第 1期 2011年 1月 机 械 与制 造 Machinery Design & Manufacture 55 文章编号：1001—3997(201 1)01—0055—02 基于 SolidWorks与 ANSYS的螺旋伞齿轮虚拟设计 赵晓春 张宝霞 寸立岗 (兰州交通大学 机电工程学院，兰州 730070) Virtua J design of spira J beveJ gear based on SolidWorks and ANSYS ZHA0 Xiao-chun。ZHANG Bao-xia，CUN Li—gang (Lanzhou Jiaotong University School of Mechatronic Engineer，Lanzhou 730070，China) ¨ -+ - ● 一 ◆ _． -◆ 一◆ - ． 一◆ 一◆ _． -◆ 一 - ． -—-● + 一 —● + -—·● 嘲 ◆ 一 - ． - + - -● -． -+ 【摘 要】阐述了机械产品的虚拟设计，介绍了一种齿形复杂的螺旋伞齿轮建模方法，结 ◆。◆ 、 合 Mi 一 ； crosoft Excel绘制渐开线曲线，选用SolidWorks作为虚拟设计平台，同时完成了螺旋伞齿轮的其他特征 ? 的生成，并通过接口导入ANsYs中，进行应力分析，使得虚拟设计的螺旋伞齿轮在成品前就能得知其： 外观和力学性能。 ； 关键词：虚拟设计；螺旋伞齿轮；s。lidWorks；ANsYs；应力分析 ： [Abstract]The irtual design ofmechanic products is exp。unded，introduce Jnodeling Meth。d of； j口spiral bevel gear ofcomplex tooth，draws involute culwe With Microsoft Excel，selects SolidWorks O'S the i {virtual design platform．At the saDze time，generation ofthe otherfeatures of spiral bevel gear is completed,i ：and through the interface，spiral bevel gear is importedinto ANSYSfor stress analysis，appearance and me—j ；chanical properties ofspiral bevel gear ofthe virtual design can be learned before thefinishedproduct． ； ! Key words：Virtual design；Spiral bevel gear；SolidWorks；ANSYS；Stress analysis j ．◆ ．◆ ．◆ ．．● ．◆ ．◆ ．◆ ．◆ ．◆ ． ◆ 。 ◆ ．◆ ．◆ ．◆ ．◆ + ，◆ 。◆ ． ◆ 。◆ ．◆ ．◆ 。◆ ◆ -◆ 。◆ ．◆ -◆ ．◆ -◆ -◆ ，◆ -◆ - ．● - ◆ - ◆ -◆ -◆ 一◆ -．．● -+ -， 中图分类号：TH16 文献标识码：A 1机械产品的虚拟设计 虚拟设计(Virtual Design)是将 VR技术和 CAD技术相结合 的一种应用于多领域的新技术，是以计算机仿真和产品全生命周 期建模为基础，集计算机图形学、人工智能、并行工程、网络技术、 多媒体技术和虚拟现实技术等诸多技术为一体，在虚拟条件下对 产品进行构思、设计、制造、测试和分析。 它的显著特点就是利用数字化模型一虚拟产品来代替实物 模型进行仿真分析，从而提供产品在时间、质量、成本 、服务和环 境等多目标中的决策水平，达到全局优化和一次性开发成功的目 的【 。 近年来，商业CAD软件及工具的兴起，例如：PTC公司的产 品SolidWorks，Pro／Engineer，SDRC的产品I-DEAS MasterSeries、 UGS公司的产品 Unigraphics等，推动了虚拟设计的发展 。 2 SolidWorks与 ANSYS有限元分析 运用 SolidWorks与 ANSYS相结合，对螺旋伞齿轮进行虚拟 设计，其流程图，如图 1所示。 图 1虚拟设计流程图 3螺旋伞齿轮的虚拟设计 齿轮传动是现代机械中最常见的一种传动形式。而对于渐 开线齿廓的齿轮具有较好的传动性能，而且便于制造、安装和测 量，所以渐开线齿廓曲线是应用最多的齿廓曲线。在参数化设计 过程中为了保证齿轮建模的准确性，经常需要对渐开线齿廓曲线 进行精确绘制[81。 螺旋伞齿轮作为渐开线齿廓齿轮中的一种，在建立实体模型 时，由于齿形及齿坯的复杂J生，往往给建模 、^员带来很多困难，本文 女来稿日期 ：2010—03—15 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 一 】 ⋯ ⋯ ⋯ 】 ⋯ 】 ⋯ ， ⋯ ⋯ ⋯ 】 ⋯ ⋯ 】 ⋯ ⋯ 】 ⋯ ⋯ 一 ⋯ ' I 识，以面向对象的程序设计语言 Visual Basic 6．0为开发工具 ，设 计出了界面友好的巷道式堆垛机快速设计系统。并在实际应用中 取得了较好的设计效果，但是在结构分析上还有待于和 ANSYS 相结合，系统的稳定性方面还需要完善。 参考文献 1龚道雄．基于SolidWorks的桥式起重机参数化设计[D]．武汉理工大学学 报，2009 2赵立平，王宗彦，秦慧斌 ，董 良．面向大规模定制的堆垛机快速设计系统 研究[J]_中国机械工程，2008，19(18)：2161～2165 3刘志根，侯志利，杨金刚，王宗彦基 于 KBE桥式起重机桥架参数化设计 技术[J]．起重运输机械，2007(1)：31～36 4荆明．仓储 自动化技术的新进展[J]．物流技术与应用，1999 5李晓宏桥式起重饥三维参数化没汁技术探讨[J]重工科技，2004(1)：54-58 6汪国春．自动化立体仓库堆垛机控制系统的设计[J]．起重运输机械，2008 (10)：89～91 56 赵晓春等：基于SolidWorks与ANSYS的螺旋伞齿轮虚拟设计 第 1期 基于 SolidWorks三维软件及运用 Microsoft Excel软件创建渐开线 完成螺旋伞齿轮的虚拟设计。并运用ANSYS对轮齿进行应力分析。 螺旋伞齿轮的模数为 16，压力角为 20。，齿数为 6，锥角为 30。，材料为20CrMnTi。 密度为 7．8xlO kg／m ，弹性模量为 207Gpa，f[J松比0．25141。 3．1螺旋伞齿轮的建模 3．1．1运用 Microsoft Excel软件创建渐开线 设渐开线上任一点的坐标为( ，Y， )。渐开线的参数方程可 ． X=rbcos~p+w sin 1 表不为： sin~v+ra~pcos } (1) z=0 J 式中： —渐开线基圆半径； —渐开线发生线在基圆上的滚动角。 打开 MicrosoftExcel软件，根据渐开线方程，在 =(o--9o)o之 间，每 1o(换算成弧度值)取一个点，得到齿轮的一条渐开线数据。 因为是平面曲线，故将所有 Z坐标值取为 0。将该数据文件另存 为‘齿轮txt”文件，保存类型选择“文本文件(制表符分隔)( _fxt)”。 进入 SolidWorks的零件工作界面。进行长度单位和图形显 示精度的设定。然后将 Microsoft Excel软件生成齿轮渐开线数据 在 SolidWorks中打开，从而在 SolidWorks界面中生成齿轮渐开 线。如图2所示。 图2在 SolidWorks中生成的渐开线及数据 3．1．2 SolidWorks创建实体模型步骤 (1)过基圆圆心绘制齿根圆、分度圆和齿顶圆，通过镜像和 剪切可以得到齿形轮廓。(2)启动“拉伸凸台”功能，可得到齿坯。 (3)插入参考基准面，使用转换实体引用功能，将生成的齿轮截面 轮廓投影，并缩放轮廓。(4)生成锥齿轮毛坯，绘制齿廓。(5)生成 螺旋线，旋转齿轮轮廓。(6)生成单个螺旋齿形，阵列齿形。(7)根 据装配体的需要，通过拉伸凸台 E体、旋转凸台，基体、放样凸台／ 基体等命令，在螺旋伞齿轮上建立轴及螺纹等特征。通过以上步 骤，可得到SolidWorks创建的螺旋伞齿轮实体模型，如图3所示。 图3 SolidWorks创建的螺旋命齿轮 3．2螺旋伞齿轮应力分析 3．2．1网格划分 将 SolidWork的零件或装配体存成 X_T的形式，注意在文 件命名时，一定要用英文，如 spiral bevel gear．X_T。在 ANSYS中 点击 file—import—para，就可以导入了，但导入后，其实体是由线连 接的，所以要进行转换实体，在 ANSYS的 Utility Menu中打开 PlotCtrls—Style—Solid Model Facets，弹 出对 话框 ，选 择 Normal Faceting—OK，这时在 ANSYS界面中右键单击，选择 replot，从而 完成 SolidWorks到ANSYS的实体导人[y61。把导入到ANSYS中 的螺旋伞齿轮轴部分删掉，减少网格划分时间，然后建立工作文 件名和工作标题，定义单元类型和材料特I生[7】，螺旋伞齿轮六个轮 齿均匀的分布在齿轮轴上，由于对螺旋伞齿轮进行断齿分析，可 通过单齿进行应力分析。划分网格后的图形，如图4所示。 图4截取的螺旋伞齿轮单齿网格划分 3．2．2应力分析 假设螺旋伞齿轮与配对齿啮合时，齿面受力均匀，设齿面受 到的传动力为 1000N，其应力分布图和齿顶应力路径分布曲线， 如图5、图6所示。 图5应力分布图 图6齿顶应力路径分布曲线 3．3结果分析 (1)由应力分布图可知，应力由螺旋伞齿轮小端到大端逐渐 增大，范围在(0～8058)Mpa，最大应力为 8058Mpa，主要集中螺旋 伞齿轮大端的齿根处，从而可确定齿轮齿根处最容易断裂的部位 在大端齿根处。(2)当螺旋伞齿轮齿顶线作为路径曲线时，其应力 路径分布图中显示了受力的情况，得知齿顶的应力主要集中在大 端，应力为2152．085 Mpa，最小应力在齿顶的中部，应力为 461．327 Mpa。(3)有限元法用于螺旋伞齿轮齿根的应力分析，减 少了传统计算的复杂性 ，增加了对力学性能的直观性，提高了确 定失效部位的准确性，满足工程需要。 4结论 虚拟设计技术的不断发展，改变了机械产品的传统设计模式， 增加了人们对未成品的外观和性能的预知性，使得产品能够陕速响 应市场，为企业创造出更大的价值。本文介绍了一种虚拟设计方法 是通过SolidWorks软件生成精确的模型，同时在 ANSYS软件中进 行螺旋伞齿轮力学性能的相关分析，能够满足工程设计和应用需 要。因此，虚拟设}l在机械产品没计中的应用是十分必要的。 参考文献 1陈定方，罗亚波．虚拟设计．北京：机械工业出版社，2007(9) 2王国强．虚拟样机技术及其在 ADAMS上的实践．西安：西北工业大学出 版社，2002(3) 3张锁怀，李忆平，党新安．SolidWorks零件设计实例详解．北京：人民邮电 出版社，2004(11) 4 n．A．比尔格尔，B． ．绍尔，F．B．约西列维奇．机械零件强度计算手册．jE京 ： 机械工、I 出版社，1987(3)