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1、毕业设计毕业设计( (论文论文) )齿轮参数化设计及弯曲强度有限元分析齿轮参数化设计及弯曲强度有限元分析系系 别别 ：机械与电子工程系专专业业（班班级级）： 机械设计制造及其自动化 08 级 3班作作者者（学学号号） ：指指导导教教师师：完完成成日日期期：目目 录录中文摘要中文摘要 1英文摘要英文摘要 21 概述概述31.1 齿轮参数化设计31.2 齿轮弯曲强度有限元分析32 齿轮参数化设计齿轮参数化设计52.1 开发工具概述52.2 齿轮的设计过程52.3 齿轮计算机辅助设计的实现62.4 参数化建模的方式62.4.1 基于模板的设计方法72.4.2 基于程序的设计方法72.4.3 基于表格
2、的设计方法72.5 齿轮参数化建模82.5.1 建模过程82.5.2 建立族表203 有限元分析有限元分析213.1 简介213.1.1ANSYS 软件概述213.1.2 齿轮有限元分析思路223.2 导入齿轮模型223.2.1 齿轮模型的导入的方法223.2.2 设置 PRO/E4.0 与 ANSYS10.0 之间的接口233.3 有限元网格划分243.3.1 定义材料属性、单元类型253.3.2 网格划分方法253.3.3 网格密度的控制283.4 添加约束条件293.5 施加载荷293.6 求解与结果分析303.6.1 求解303.6.2 结果查看32结论结论34谢辞谢辞35参考文献参考
3、文献36- 1 -齿轮参数化设计及弯曲强度有限元分析摘 要：齿轮传动作为工程中最为常见的传动形式，其强度设计和强度校核十分必要和重要。但由于影响齿轮强度的因素众多，齿轮强度计算衍变为一个涉及多学科的复杂工程问题。参数化设计对于形状大致相似的一系列零部件，只需修改相关参数，便可生成新的零部件，从而大大提高设计效率。在 Pro/E 中，通过参数化建模的方法，生成齿轮的完整渐开线齿廓，采用特征操作方法生成了渐开线齿轮的三维实体模型。然后建立 Pro/E 与 ANSYS10.0 的接口，将模型导入。在 ANSYS 软件中实现了渐开线齿轮“网格剖分、载荷施加、求解计算”的全过程参数化，实现了 CAD 与
4、 CAE 的一体化，极大地提高了工程设计效率。ANSYS 设计数据接口程序提供完全与设计数据相关联的分析方案，并能通过良好的用户界面完成分析。利用 ANSYS 的数据接口，可精确的将在 CAD 系统下生成的几何数据传入 ANSYS，而后准确地在该模型上划分网格并求解。关键词：齿轮设计;参数化建模;有限元分析- 2 -Gear parametric design and finite element analysis for bending strengthAbstract：Gear transmission as the most common form of transmission in
5、the works, the strength of design and strength check of a very necessary and important .However, due to many factors affecting the gear strength, gear strength calculation Evolution is a complex engineering problems involving multi-disciplinary. Parametric design for the shape is roughly similar ran
6、ge of components, only a modification of the relevant parameters, can generate new parts, thus greatly improving the design efficiency. By the method of parametric modeling in Pro/E, generate the integrity of the gear involute tooth profile, the use of characteristic methods of operation to generate
7、 a 3D solid model of involute gear. Then create a Pro/E and ANSYS10.0 interface, import the model. Involute helical gears meshing in ANSYS, load is applied to solve calculation of the whole process parameters to achieve the integration of CAD and CAE, which greatly improves engineering design effici
8、ency. ANSYS design data interface provides a fully associated with the design data analysis program, and through a good user interface to complete the analysis. Using ANSYS data interface, can be accurately generated in the CAD system geometric data into ANSYS, then accurately on the model meshing a
9、nd solving.Key words：Gear design；parametrization modelling; finite element analysis- 3 -齿轮参数化设计及弯曲强度有限元分析1 概 述1.1 齿轮参数化设计齿轮是一种通用的传动机构，有特殊的设计和加工技术，其加工精度对传动精度、机械的稳定性等有重要影响，因此实现齿轮的精确建模是后续研究的重要保证。在Pro/E 中，通过参数化建模的方法，生成齿轮的完整渐开线齿廓，采用特征操作方法生成了渐开线齿轮的三维实体模型。齿轮传动是机械设备中应用最广泛的动力和运动传递装置,广泛应用于航空、汽车、机床和自动化生产线等各种通用
10、机械中。齿轮啮合的力学行为和工作性能对整个机器有重要影响。随着机械行业的不断发展，各种精密机床不断被研发，对齿轮的成形精度有了越来越高的要求。为了精确模拟齿轮的实际成形过程，就要求对齿轮进行精确的三维建模。目前国内使用的三维 CAD 软件种类很多,高端的有 Pro/E、CATIA、I-DEAS、UG 等,中、低端的有 Solid Edge、Pro/E、国产 CAXA 等。本文主要阐述基于Pro/E 的齿轮参数化设计及有限元分析。Pro/E 是一个优秀的机械 CAD/CAE/CAM 一体化高端软件,它基于完全的三维实体复合造型、特征建模技术, 能设计出任意复杂的产品模型。再加上技术上处于领先地位
11、的 CAM 模块、内嵌的 CAE 模块, 使 CAD、CAE 和 CAM有机集成,可以使产品的设计、分析和制造一次完成。使我们能够数字化地创建和获取三维产品定义。我们可以通过修改零件的特定参数和属性,然后根据相关联的尺寸表达式的作用而引起整个模型的变化,从而可得到所需零件。在参数化设计过程中,主要有两种参数即自变参数和因变参数。因变参数是由自变参数通过特定的表达式来决定的,而自变参数的确定则是工程中所规定的零件的参数。比如齿轮,工程上所定义的自变参数有齿数、压力角、螺旋角、模数和齿宽等,因变参数有基圆、分度圆、齿顶圆、齿根圆等。用户只须输入以上齿轮自变参数,便可得到所需齿轮,从而快速完成齿轮的
12、建模。1.2 齿轮弯曲强度有限元分析 实际工程中有大量的问题，如力场等是呈匀态连续变化的。利用有限元分析法可以将研究对象离散成有限多个单元体，通过分析得到一组代数方法，进而求得近似解。由于单元可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以有限元分析法能很好地适应- 4 -复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件。有限元分析总体上可分成三个部分：前处理部分，分析计算部分以及后处理部分。前处理部分主要是生成有限元模型，对几何模型进行网格划分，得到有限元模型的相关数据：分析计算部分根据有限元模型的数据文件进行有限元分析：后处理部分是有限元计算后输出结果的加工阶段，主要包括数据输出和图形显示。由于后
13、两个阶段采用批处理方式和单纯的输出显示，所以人工干预不多，相比之下最繁重的工作还在于前处理阶段，即确定特定分析对象的关系和建立模型，包括节点数、节点编码，因此将重点工作放在前处理过程中。通过 Pro/E 工具对当前齿轮有限元分析方法进行适当补充，以提高其分析精度和有效性，从而引伸到其他机械零件的有限元分析工作中，即利用三维设计软件进行精确的三维造型，并通过标准数据接口或数据接口转入分析系统，将模型以Pro/E、STEP、DXF 或 IGES 格式读入有限元分析软件 ANSYS10.0 中，然后用有限元分析软件进行精确计算。- 5 -2 齿轮参数化设计2.1 开发工具概述PRO/E 是美国 PTC 公司的标志性软件。自 1988 年问世伊始，即引起 CAD/CAM即的极大震动，10 年间已成为全世界及中国地区最普及的 3DCAD/CAM
