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1、二一二届学生毕业论文（设计） 存档编号： 江汉大学江汉大学 毕业论文（设计）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) Gear transmission system parameter design and optimization scheme 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
2、，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
3、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
4、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 CAE PatranGear Transmission Of Finite Element Patran And OptimizationAbstractPatran is along with the rapid development of electronic computers and developed a computational mathematics, computational mechanics and engineering science, the most
5、 effective general finite element analysis software. It is hot, the fluid, structure, electromagnetic, acoustics integration in the universal finite element analysis software for commercial. Using the Patran finite element analysis, all kinds of machine parts, can carry out stress, strain and struct
6、ural deformation, fatigue analysis of some complex system, and the simulation, the design and realization of virtual human, to save money and material. Due to its convenience, practicability and validity, Patran software, especially in the field of mechanical engineering has been widely used.Gear is
7、 commonly used in machinery, a part of the work in process of stress, strain and can produce deformation, so as to ensure the normal working of gear teeth and to overall analysis, ensure the stiffness and strength. This thesis of Patran software of gear static analysis and optimization of virtual de
8、sign of gear.Gear is one of the most important parts. It has big power range, high transmission efficiency and transmission ratio correctly, long using life, etc, but from the failure parts, gear is the most vulnerable parts of the fault. According to statistics, in all kinds of mechanical failure,
9、gear failure is accounted for 60% of the total failure. One of the broken tooth gear is one of the main reasons.Gear meshing process as a contact, because involves contact state changes a complex nonlinear problems. The traditional theory of gear analysis was based on the basis of elastic mechanics,
10、 the contact strength for gear with two parallel computation formula of the cylinder pressure, based in Hertz calculation process in many assumptions, was not accurate in reflecting gear meshing process of stress and strain distribution and change. Relative to the theoretical analysis, finite elemen
11、t method, the principle is convenient and fast accurate, etc.Involute tooth profile surface is curved, so the difficulties and modeling key lies in how to determine the precise involute. Through PDL coupler, single mode WDMS directly in order to create Patran flow standard spur gears, study on parts
12、 of Patran software, and the meshing geometric modeling and static load and the solving of solving the check, analysis and optimization.Key words: Finite element; Gear; CAE Patran目 录1 绪论 .11.1 有限元概述 .11.2 课题的意义与及目的 .31.2.1 研究目的和意义.31.2.2 研究背景 41.3 国内外研究现状 .51.3.1 有限元仿真及多体系统动力学仿真 51.3.2 变速器齿轮动力学仿真 72
13、 软件选取 82.1 MSC.Patran 简介及优势.82.2 MSC.Nastran 简介及优势92.3 MSC.Patran 和 MSC.Nastran 做齿轮结构分析的优势 113 有限元分析初步 .123.1 分析目的与意义 .123.2 减速器相关参数 .123.2.1 减速器参数 123.2.2 齿轮相关参数 143.3 画齿轮与修改文件类型 .143.4 大齿轮建模过程153.4.1 新建一个数据库文件 .153.4.2 创建几何模型 163.4.3 划分有限元网格 163.4.4 施加边界约束 193.4.5 设置材料特性.203.4.6 定义单元属性 213.4.7 提交分
14、析.213.4.8 查看分析结果.223.4.9 模态分析 243.4.10 查看模态分析结果 .253.5 小齿轮静力模态分析 283.5.1 小齿轮应力位移云图 .283.5.2 小齿轮模态分析 .294 计算数据分析和技术讨论 324.1 分析数据 324.2 设计方案技术讨论 324.3 工作展望 324.4 有限元发展趋势 32全文总结 .35参考文献 36致谢 .37第一章第一章 绪论绪论1.11.1 有限元概述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（The Finite Eleme
15、nt Method in Plane Stress Analysis） ”中最先引入了有限元（Finite Element）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
16、，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、应用广泛而且实用高效的被多数工程技术人员所接受的数值分析方法。当今有限元方法的发展趋势是集成化、通用化、输入智能化和结构输出可视化。所谓集成化是一个有限元程序包往往包括了各种各样的单元（即单元库） ，并包括了许多材料的本构关系（即材料库） ，使用者可以根据需要选择和组合；通用化是一个通用程序同时又解决静力分析、动力分析、热传导、电场等各种问题的模块；输入智能化、图形化是计算机辅助
