基于CATIA的减速器齿轮轴的有限元分析_郭越

第32卷 第2期2010年06月 延 边 大 学 农 学 学 报Jo urnal o f Agricultural Science Yanbian University V ol.32No.2 Jun.2010

收稿日期:2010-01-15

作者简介:郭越(1973-),女,吉林舒兰人,延边大学工学院机械系讲师.

基于CAT IA 的减速器齿轮轴的有限元分析

郭 越

(延边大学工学院机械工程系,吉林延吉133002)

摘要:以CAT IA 为平台对减速器齿轮轴进行三维实体建模,并运用分析与模拟模块进行有限元分析,最后得

到齿轮轴的网格图、应力分布图及位移分布图,对后继齿轮轴的可靠性设计起重要作用.

关键词:齿轮轴;建模;有限元分析;应力分布图

中图分类号:T P391.9 文献标识码:A 文章编号:1004-7999(2010)02-0150-03

减速器是现代机械装备中使用较广的通用机械装备,具有结构紧凑、传动效率高、传递运动准确、可靠等优点.CATIA 是由法国达索飞机公司(Dassault Sy stem)推出的高级计算机辅助设计、制造和分析软件(CAD/CAE/CAM ),广泛应用于航天、汽车、造船和电子设备等行业,涵盖基础结构、机械设计、造型、分析与模拟、数控加工、数字化仿真等模块,并在三维特征建模方面功能强大,很方便地进行复杂三维零件的特征参数化造型,完成的参数化造型能根据按人机交互形式输入的设计变量来控制特征的有无,形成新的尺寸,从而再生出新的三维零件.

1 齿轮轴的三维建模

以二级直齿圆柱齿轮减速器的齿轮轴为例,进行三维建模(图1).此齿轮轴为高速轴,在CAT IA 软件设计中先生成齿轮,其基本参数如表1.齿轮的生成是通过渐开线方程创建齿轮齿廓[1],并运用/圆阵列0、/切割0、/合并0功能,得到标准渐开线圆柱齿轮的截面图,再通过/拉伸(Pad)0、/旋转(Rotate)0等命令生成齿轮

及齿轮轴[2].齿轮轴的简略尺寸如图2.

表1 渐开线圆柱直齿轮的设计参数

Table 1 Design parameter of the standard involute straight toothed spur gear

齿数(z)

Number of teeth

模数(m)M odulus 压力角(A )Pr essure ang le 齿顶高系数(H a *)A ddendum coefficient 顶隙系数(C *)H eadspace co ef ficient 齿轮宽度(H )G ear w idth 22220b 10.25

45图1 齿轮轴

图2 齿轮轴的尺寸Fig.1 Gear shaf t Fig.2 Dim ension of gear shaft

第2期郭越:基于CA TIA 的减速器齿轮轴的有限元分析2 轮轴的有限元分析

2.1 指定材质及网格划分

在进行有限元分析前,要对已设计好的齿轮轴模型赋予材质,45钢,调质,H BS=240~270.为了使齿轮更逼真,点击/视图0)/渲染样式0)/带材料着色0命令[3]

,然后转入到CAT IA 分析与模拟(Analysis &Sim ulation)模块中的创成式结构分析(Generative Structure Analy sis)子模块进行静应力分析,然后划分网格.在CAT IA 界面的管理树中Finite M odel.1)Nodes and Elements )OCTREE T etr ahedro n M esh .1:Gear shaft 上点击鼠标右键,出现菜单,选择OCT REE Tetrahedron M esh .1:Gear shaft 对象)定义,弹出对话框,在对话框中设置单元的尺寸和类型.由于各处所受应力不同,网格划分可不同,应力较集中的区域网格划分要细,使它更接近于实际工作情况,计算结果更加精确.该齿轮轴由于有键槽、轴肩处应力集中,网格要细化,所以取单元尺寸为2mm,其它部分为50m m(图3).

2.2 施加约束及载荷

根据零件和分析需要可施加适当的约束,运用夹紧(Clam p)命令对齿轮轴的轴端施加约束[4],假定在键槽的工作面和齿轮的节点上分别施加大小分别为24MPa 和10MPa 的分布压力,这2个压力使轴产生大小相等、方向相反的转矩.为了更清楚看到施加载荷,可设置Custm ize View Mo des 对话框隐去网格(图4).

2.3 求解并查看结果

单击/Computer 0命令,在弹出对话框中选/All 0,单击/确定0命令后,计算机以对话框的形式显示对输入参数处理的进度条,这一系列计算都是系统自动完成.求解过程完成后,可查看分析结果.单击/Defor ma -tion(显示划分的网格)0命令,就可显示出齿轮轴的网格图(图3).可以看到,网格细化的部位,网格密度较大.单击/Von M ises Stress(米塞斯应力)0命令,显示出米塞斯应力图(图5).图中不同的颜色代表不同的应力值大小.单击/Displacement(位移)0命令,显示出位移图(图

6).151

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图6位移图

Fig.6Displacement

2.4结果分析

由图5,6可知,右边的数据是米塞斯应力、位移值的变化范围,用不同的颜色表示.从下到上由最小值逐步变到最大值,颜色由蓝色变到红色.在CAT IA软件模式下,只要把鼠标放在齿轮轴上的某一位置,就能显示出该位置的应力值.齿轮轴的材料为45钢,屈服极限为355M Pa最大米塞斯应力为349M Pa,出现在有键槽的轴的右端(图5),由于D max<[D],所以强度合格.最大位移为1.63mm(图6),其变形量为0.62mm/ m,远小于国家规定的1.5mm/m[5],刚度满足要求.

若对齿轮轴的应力或位移状态不满意时,可直接进入模块M echanical Design中的Part Design子模块修改结构尺寸,使其满足在载荷工况下的技术要求.

3结束语

在CAT IA环境下快速完成齿轮轴的精确建模,并进行有限元分析,将建模和分析两项工作在同一软件平台上操作,避免三维模型在不同软件接口之间导入导出时数据丢失现象的发生,更准确分析齿轮轴实际工作的状况,为齿轮轴的精确设计提供可行的方法.

参考文献:

[1]孙桓,陈作模.机械原理[M].北京:高等教育出版社,2002.

[2]单岩,谢龙汉.CA T IA V5机械设计应用实例[M].北京:清华大学出版社,2004.

[3]郭越.基于CAT IA直齿圆柱齿轮的有限元分析[J].延边大学农学学报,2009,31(4):287-290.

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[5]王雪琴.基于U G的装载机驱动桥壳有限元分析[J].现代交通技术,2008,5(2):81-83.

Finite element analysis of gear shaft of retarder based on CATIA

GU O Yue

(M echanical Engineering D ep ar tment,E ngineer ing College of Y anbian Univer sity,Yanj i J ilin133002,China) Abstract:An introduction to the precise modeling method of retarder o f g ear shaft is given on the bases of the CATIA,gear shaft is operated finite element analysis w ith the m odule of Analy sis&Simulatio n,fina-l ly through finite element analysis,grid char t,press distribution,displacement w ere obtained,it is im po r-tant to design r eliably later g ear shaft.

Key words:g ear shaft;establish mo del;finite elem ent analy sis;stress distribution map