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齿轮传动系统机构分析及方案优化


齿轮传动系统机构分析及方案优化
一·课题的目的及意义(含国内外的研究现状分析) 课题研究的目的
培养我们材料力学·理论力学,机械原理·机械设计,优化设计,CAE, 科学计算等课程的综合应用能力,使我们在资料检索,英文翻译等方面获得综合 训练,从系统的角度培养学生分析问题和解决问题的能力,为缩短工作适应期奠 定坚实的基础。

国内外相关现状及

发展趋势
“有限元”这个名词第一次出现,到今天有限元在工程上得到广泛应用,经历了三 十多年的发展历史,理论和 算法都已经日趋完善。有限元的核心思想是结构的 离散化,就是将实际结构假想地离散为有限数目的规则单元组合体,实际结构的 物理性能可以通过对离散体进行分 析,得出满足工程精度的近似结果来替代对 实际结构的分析, 这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的 复杂问题。 近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高, 有限元分析在工 <br> 程设计和分析中得到了越来越广泛的重视, 已经成为解决复杂的工程分析计算问 题的有效途 径,现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元 分析计算,其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器, 国防军工,船舶, 铁道,石化,能源,科学研究等各个领域的广泛使用已使设 计水平发生了质的飞跃,主要表现在以下几个方面: 增加产品和工程的可靠性; <br> <br> 在产品的设计阶段发现潜在的问题 经过分析计算,采用优化设计方案,降低原材料成本 <br> <br> 缩短产品投向市场的时间 模拟试验方案,减少试验次数,从而减少试验经费 <br> <br> <br> 国际上早在 60 年代初就开始投入大量的人力和物力开发有限元分析程 序,但真正的 CAE 软件是诞生于 70 年代初期,而近 15 年则是 CAE 软件商品 化的发展阶 段,CAE 开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速 发展,在大力推销其软件产品的同时,对软件的功能、性能,用户界面和前、后 处理能力, 都进 行了大幅度的改进与扩充。 这就使得目前市场上知名的 CAE 软 件,在功能、性能、易用性、可靠性以及对运行环境的适应性方面,基本上满足 了用户的当前需求, 从而帮助用户解决了成千上万个工程实际问题,同时也为 科学技术的发展和工程应用做出了不可磨灭的贡献。目前流行的 CAE 分析软件 主要有 NASTRAN、 ADINA 、ANSYS、ABAQUS、MARC、MAGSOFT、 COSMOS 等。MSC-NASTRAN 软件因为和 NASA 的特殊关系,在航空航天领 域有着很高 的地位,它以最早期的主要用于航空航天方面的线性有限元分析系 统为基础,兼并了 PDA 公司的 PATRAN,又在以冲击、接触为特长的 DYNA3D

的基础上 组织开发了 DYTRAN。近来又兼并了非线性分析软件 MARC,成为目 前世界上规模最大的有限元分析系统。ANSYS 软件致力于耦合场的分析计算, 能够进 行结构、流体、热、电磁四种场的计算,已博得了世界上数千家用户的 钟爱。ADINA 非线性有限元分析软件由著名的有限元专家、麻省理工学院的 K.J.Bathe 教授领导开发,其单一系统即可进行结构、流体、热的耦合计算。并 同时具有隐式和显式两种时间积分算法。由于其在非线性求解、流固耦合分 析 等方面的强大功能,迅速成为有限元分析软件的后起之秀,现已成为非线性分析 计算的首选软件。 <br> <br> 纵观当今国际上 CAE 软件的发展情况,可以看出有限元分析方法的一 些发展趋势: <br> <br> 1、与 CAD 软件的无缝集成 <br> 当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用 CAD 软件的集成使用, 即在用 CAD 软件完成部件和零件的造型设计后,能直接将模型传送到 CAE 软 件中进行有限 元网格划分并进行分析计算,如果分析的结果不满足设计要求则 重新进行设计和分析,直到满意为止,从而极大地提高了设计水平和效率。为了 满足工程师快捷地解 决复杂工程问题的要求,许多商业化有限元分析软件都开 发了和著名的 CAD 软件(例如 Pro/ENGINEER、Unigraphics、 SolidEdge、 SolidWorks、IDEAS、Bentley 和 AutoCAD 等)的接口。有些 CAE 软件为了实 现和 CAD 软件的无缝集成而采 用了 CAD 的建模技术,如 ADINA 软件由于采 用了基于 Parasolid 内核的实体建模技术, 能和以 Parasolid 为核心的 CAD 软件 (如 Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks)实现真正无缝的双向数据交换。 <br> <br> 2、更为强大的网格处理能力 <br> 有限元法求解问题的基本过程主要包括: 分析对象的离散化、 有限元求 解、计算结果的后处理三部分。由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间 及求解结果的 正确性与否,近年来各软件开发商都加大了其在网格处理方面的 投入,使网格生成的质量和效率都有了很大的提高,但在有些方面却一直没有得 到改进,如对三维实 体模型进行自动六面体网格划分和根据求解结果对模型进 行自适应网格划分,除了个别商业软件做得较好外,大多数分析软件仍然没有此 功能。自动六面体网格划分 是指对三维实体模型程序能自动的划分出六面体网 格单元,现在大多数软件都能采用映射、拖拉、扫略等功能生成六面体单元,但 这些功能都只能对简单规则模型适 用,对于复杂的三维模型则只能采用自动四 面体网格划分技术生成四面体单元。对于四面体单元,如果不使用中间节点,在 很多问题中将会产生不正确的结果,如果 使用中间节点将会引起求解时间、收 敛速度等方面的一系列问题,因此人们迫切的希望自动六面体网格功能的出现。 自适应性网格划分是指在现有网格基础上, 根据 有限元计算结果估计计算误差、 重新划分网格和再计算的一个循环过程。对于许多工程实际问题,在整个求解过 程中,模型的某些区域将会产生很大的应变,引起单 元畸变,从而导致求解不 能进行下去或求解结果不正确,因此必须进行网格自动重划分。自适应网格往往 是许多工程问题如裂纹扩展、薄板成形等大应变分析的必要 条件。

<br> <br> 3、由求解线性问题发展到求解非线性问题 <br> 随着科学技术的发展, 线性理论已经远远不能满足设计的要求, 许多工 程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决,必须进行 非线性分析求 解,例如薄板成形就要求同时考虑结构的大位移、大应变(几何 非线性)和塑性(材料非线性);而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料 进行分析或需考虑材 料的塑性、蠕变效应时则必须考虑材料非线性。众所周知, 非线性问题的求解是很复杂的,它不仅涉及到很多专门的数学问题,还必须掌握 一定的理论知识和求解技 巧,学习起来也较为困难。为此国外一些公司花费了 大量的人力和物力开发非线性求解分析软件,如 ADINA、ABAQUS 等。它们的 共同特点是具有高效的非 线性求解器、丰富而实用的非线性材料库,ADINA 还 同时具有隐式和显式两种时间积分方法。 <br> <br> 4、由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解 <br> 有限元分析方法最早应用于航空航天领域,主要用来求解线性结构问 题,实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明,只 要用于离散求解 对象的单元足够小,所得的解就可足够逼近于精确值。现在用 于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟,发展方向是结构非线 性、流体动力学和耦合场 问题的求解。例如由于摩擦接触而产生的热问题,金 属成形时由于塑性功而产生的热问题,需要结构场和温度场的有限元分析结果交 叉迭代求解,即"热力耦合"的 问题。当流体在弯管中流动时,流体压力会使弯 管产生变形, 而管的变形又反过来影响到流体的流动……这就需要对结构场和流 场的有限元分析结果交叉迭代求解, 即所谓"流固耦合"的问题。由于有限元的 应用越来越深入,人们关注的问题越来越复杂,耦合场的求解必定成为 CAE 软 件的发展方向。 <br> <br> 5、程序面向用户的开放性 <br> 随着商业化的提高, 各软件开发商为了扩大自己的市场份额, 满足用户 的需求,在软件的功能、易用性等方面花费了大量的投资,但由于用户的要求千 差万别,不管 他们怎样努力也不可能满足所有用户的要求,因此必须给用户一 个开放的环境,允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充,包括用户自定义 单元特性、用户自定 义材料本构(结构本构、热本构、流体本构)、用户自定 义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等等。 <br> <br> 关注有限元的理论发展,采用最先进的算法技术,扩充软件的能, 提高软件性能以满足用户不断增长的需求,是 CAE 软件开发商的主攻目标,也是 其产品持续占有市场,求得生存和发展的根本

二·课题任务 重点研究内容 实现途径 条件
1 确定某一个二级减速器的传动方案 2 掌握其工作原理 3 对减速器进行受力分析并计算尺寸

4 学习有限元软件,利用软件对减速器受力分析

具体做法
1

借一本最简单的有关有限元方法的书,了解基本概念,对照

PATRAN&NASTRAN 的教程做几个简单的例子,下载几篇类似的论文,看看别 人怎么做的。 2 试着做齿轮的静力分析(齿轮简化为圆盘、齿轮轴简化为圆柱,逐步过渡到

有真实轮齿的结构) ; 3 再对齿轮箱箱体结构做结构分析,先分析简单的箱体,逐步过渡到真实的箱

体,最后对减速器整体进行静力分析(两人分别以董、叶二位同学所画的结构为 分析对象) ; 4 分析结构的模态 (振动固有频率) 结合减速器已知的参数: , 转速、 传递功率、

转矩等,验证结构是否满足要求(如满足要求,有多大的安全系数,是否还可以 优化:更换材料,对某些地方减轻重量等) 。 5 撰写分析报告,按最后确定的结构方案,画工程图。

工作条件
电脑 工具书 有限元软件 SolidWorks

进度安排
2012.2.12~ 课题的确定,完成外文翻译,文献综述的资料搜索; 2012.2.12~2012.3.30 课题的确定,完成外文翻译,文献综述的资料搜索; 2012.3.31~ 完成文献综述,开题报告的撰写为中期检查作好准备; 2012.3.31~2012.4.06 完成文献综述,开题报告的撰写为中期检查作好准备; 2012.4.7~ 2012.4.7~2012.04.13 接受学院和学校的中期检查, 接受学院和学校的中期检查,对提出的意见对其进行

修改对结构进行有限元建模分析,确定正确的分析程序。提交初步的分析结论, 修改对结构进行有限元建模分析,确定正确的分析程序。提交初步的分析结论, 通过修改部分参数对结构初步优化,最后确定优化后的结构方案; 通过修改部分参数对结构初步优化,最后确定优化后的结构方案; 2012.4.14~ 2012.4.14~2012.5.18 按照确定的优化后的结构方案, 按照确定的优化后的结构方案,绘制工程图并完成分 的结构方案

析报告和毕业论文的撰写。 析报告和毕业论文的撰写。 2012.5.19~ 2012.5.19~2012.5.31 业答辩 完成毕业设计最后的工作,对毕业论文进行修改, 完成毕业设计最后的工作,对毕业论文进行修改,毕


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