《齿轮传动系统结构设计及方案优化》-毕业论文.doc

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二○一二届学生毕业论文（设计）存档编号：

江汉大学

毕业论文（设计）

论文题目齿轮传动系统结构设计及方案优化

（英文）Geartransmissionsystemparameterdesignandoptimizationscheme

学院机电与建筑工程学院

专业机械设计制造及其自动化

姓名

学号200806101131

指导老师

2012年05月31日

基于有限元的齿轮传动有限元分析和优化

摘要

Patran是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种在计算数学，计算力学和计算工程科学领域最有效的通用有限元分析软件。

它是融结构，热，流体，电磁，声学于一体的大型通用有限元商用分析软件。

利于Patran有限元分析，可以对各种机械零件，构件进行应力，应变，变形，疲劳分析，并对于些复杂系统进行仿真，实现虚拟的设计，从而大大节省人力，财力和物力。

由于其方便性、实用性和有效性，Patran软件在各个领域，特别是机械工程当中得到了广泛的应用。

齿轮是机械中常用的一种零件，其在工作的过程中会产生应力，应变和变形，为保证其正常工作需要对齿轮的轮齿和整体受力进行分析，保证其刚度和强度的要求。

本论文采用软Patran件对齿轮进行静力学分析和优化实现对齿轮的虚拟设计。

齿轮是最重要的零件之一。

它具有功率范围大，传动效率高，传动比正确，使用寿命长等特点，但从零件失效的情况来看，齿轮也是最容易出故障的零件之一。

据统计，在各种机械故障中，齿轮失效就占故障总数的60%以上。

其中轮齿的折断又是齿轮失效的主要原因之一。

齿轮啮合过程作为一种接触行为,因涉及接触状态的改变而成为一个复杂的非线性问题。

传统的齿轮理论分析是建立在弹性力学基础上的,对于齿轮的接触强度计算均以两平行圆柱体对压的赫兹公式为基础,在计算过程中存在许多假设,不能准确反映齿轮啮合过程中的应力以及应变分布与变化。

相对于理论分析,有限元法则具有直观、准确、快速方便等优点。

齿廓曲面是渐开线曲面，所以建模的难点和关键在于如何确定精确的渐开线。

通过从外部导入直接在Patran中创建标准斜齿圆柱齿轮，学习应用Patran软件进行零件的几何建模和网格划分，并进行静力分析

关键词有限元齿轮CAEPatran

GearTransmissionOfFiniteElementPatranAndOptimization

Abstract

Patranisalongwiththerapiddevelopmentofelectroniccomputersanddevelopedacomputationalmathematics,computationalmechanicsandengineeringscience,themosteffectivegeneralfiniteelementanalysissoftware.Itishot,thefluid,structure,electromagnetic,acousticsintegrationintheuniversalfiniteelementanalysissoftwareforcommercial.UsingthePatranfiniteelementanalysis,allkindsofmachineparts,cancarryoutstress,strainandstructuraldeformation,fatigueanalysisofsomecomplexsystem,andthesimulation,thedesignandrealizationofvirtualhuman,tosavemoneyandmaterial.Duetoitsconvenience,practicabilityandvalidity,Patransoftware,especiallyinthefieldofmechanicalengineeringhasbeenwidelyused.

Geariscommonlyusedinmachinery,apartoftheworkinprocessofstress,strainandcanproducedeformation,soastoensurethenormalworkingofgearteethandtooverallanalysis,ensurethestiffnessandstrength.ThisthesisofPatransoftwareofgearstaticanalysisandoptimizationofvirtualdesignofgear.

Gearisoneofthemostimportantparts.Ithasbigpowerrange,hightransmissionefficiencyandtransmissionratiocorrectly,longusinglife,etc,butfromthefailureparts,gearisthemostvulnerablepartsofthefault.Accordingtostatistics,inallkindsofmechanicalfailure,gearfailureisaccountedfor60%ofthetotalfailure.Oneofthebrokentoothgearisoneofthemainreasons.

Gearmeshingprocessasacontact,becauseinvolvescontactstatechangesacomplexnonlinearproblems.Thetraditionaltheoryofgearanalysiswasbasedonthebasisofelasticmechanics,thecontactstrengthforgearwithtwoparallelcomputationformulaofthecylinderpressure,basedinHertzcalculationprocessinmanyassumptions,wasnotaccurateinreflectinggearmeshingprocessofstressandstraindistributionandchange.Relativetothetheoreticalanalysis,finiteelementmethod,theprincipleisconvenientandfastaccurate,etc.

Involutetoothprofilesurfaceiscurved,sothedifficultiesandmodelingkeyliesinhowtodeterminethepreciseinvolute.ThroughPDLcoupler,singlemodeWDMSdirectlyinordertocreatePatranflowstandardspurgears,studyonpartsofPatransoftware,andthemeshinggeometricmodelingandstaticloadandthesolvingofsolvingthecheck,analysisandoptimization.

Keywords:

Finiteelement;Gear;CAEPatran

目录

1绪论 1

1.1有限元概述 …1

1.2课题的意义与及目的 3

1.2.1研究目的和意义 3

1.2.2研究背景 4

1.3国内外研究现状 5

1.3.1有限元仿真及多体系统动力学仿真 5

1.3.2变速器齿轮动力学仿真 7

2软件选取 8

2.1MSC.Patran简介及优势 8

2.2MSC.Nastran简介及优势 9

2.3MSC.Patran和MSC.Nastran做齿轮结构分析的优势 11

3有限元分析初步 12

3.1分析目的与意义 12

3.2减速器相关参数 12

3.2.1减速器参数 12

3.2.2齿轮相关参数 14

3.3画齿轮与修改文件类型 14

3.4大齿轮建模过程 15

3.4.1新建一个数据库文件 15

3.4.2创建几何模型 16

3.4.3划分有限元网格 16

3.4.4施加边界约束 19

3.4.5设置材料特性 20

3.4.6定义单元属性 21

3.4.7提交分析 21

3.4.8查看分析结果 22

3.4.9模态分析 24

3.4.10查看模态分析结果 25

3.5小齿轮静力模态分析 28

3.5.1小齿轮应力位移云图 28

3.5.2小齿轮模态分析 29

4计算数据分析和技术讨论 32

4.1分析数据 32

4.2设计方案技术讨论 32

4.3工作展望 32

4.4有限元发展趋势 32

全文总结 35

参考文献 36

致谢 37

第一章绪论

1.1有限元概述

有限元是随着计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。

1960年，克拉夫（Clough）在他的一篇论文“平面分析的有限元法（TheFiniteElementMethodinPlaneStressAnalysis）”中最先引入了有限元（FiniteElement）这一术语。

这种方法是结构分析专家把杆件结构力学中的位移法推广到求解连续体介质力学问题（当时是解决飞机结构应力分析而提出来的。

这一方法的提出，引起广泛的关注，吸引了众多力学，数学方面的专家学者对此进行研究[1]。

有限元法之所以能在1960年很快获得成功，一是由于Clough从结构力学方法推导的刚度矩阵易于为广大工程师接受，而有限元法最初也被称为矩阵近似方法；二是因为在于这个方法所包含的大量数值运算，而这可以由新发展起来的数字计算机来完成。

在20世纪70，80年代，许多学者研究和推导出了很多精确并且更高效的单元，在单元形状，单元节点和插值函的类型等方面都取得了长足的进步。

20世纪70年代，等参元的提出为研发出新的单元开辟了新的途径，推动了有限元的发展。

经过近几十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应