机械虚拟设计及仿真技术在设计中的应用及实例分析

机械虚拟设计及仿真技术在设计中的应用及实例分析

作者：刘淼

来源：《科学与财富》2015年第19期

摘要：目前虚拟设计及仿真技术已经广泛应用于机械设计制造中，使得机械设计制造更简单形象，效率也得到提高。关于虚拟设计在设计中的运用，本文主要以齿轮建模为例，用CATIA建立三维模型后，导入ANSYS中进行分析，分析出齿轮在受力时力的不同方向分布情况以及应力分布情况，通过与理论分析结果的比较，验证了ANSYS在齿轮分析中的有效性和准确性，为齿轮的优化设计奠定了基础。

关键词：虚拟设计及仿真；CATIA；ANSYS；有限元分析；数值分析

1 引言

虚拟现实技术又称灵境技术，涉及图像分析技术、人机交互技术、传感技术等。通过计算机对复杂数据的可视化操作，将人“投射”到虚拟环境之中。美国于上世纪80年代将虚拟现实技术应用在“虚拟行星探索”试验计划之中。我国虽然起步较晚，但是随着各学科的快速发展，我国的虚拟现实技术也取得了长远的进步。[1]

随着计算机的发展，虚拟现实技术在各领域得到广泛应用，国内外虚拟现实技术主要涉及到通过计算机图形技术建立三维仿真的视觉效果，在电影领域，《阿凡达》动画渲染需要的硬盘存储空间就超过1PB，要由500块2TB的硬盘搭建这套存储系统。我们可以看到世博会的中国馆眉到流动的清明上河图，可以看到最先进的虚拟现实技术。[2]

2 齿轮三维模型的建立与分析

2.1 VB对CATIA的二次开发

建立齿轮的三维实体模型的方法有很多，如通过UG、Pro/E等三维软件直接建立三维模型，或者通过利用CAXA电子图板的绘制高级曲线中的功能，形成齿轮的端面廓形，然后将其导入有限元分析软件ANSYS中，再利用ANSYS的前处理器的建模功能，由齿轮的渐开齿廓线生成三维的齿轮实体模型。本文是应用CATIA的强大三维实体模型功能以及VB（Visual Basic）友好的人机交互界面，Visual Basic是一种由微软公司开发的包含协助开发环境的事件驱动编程语言。从任何标准来说，VB都是世界上使用人数最多的语言——不仅是盛赞VB的开发者还是抱怨VB的开发者的数量。它源自于BASIC编程语言。VB拥有图形用户界面（GUI）和快速应用程序开发（RAD）系统，可以轻易的使用DAO、RDO、ADO连接数据

库，或者轻松的创建ActiveX控件。程序员可以轻松的使用VB提供的组件快速建立一个应用程序。本文通过VB对CATIA进行二次开发，建立齿轮传动的三维模型，然后将建立的齿轮三维模型导入ANSYS中。

2.2 齿轮传动模型的建立与分析

二十世纪七十年代以前人们用经典的弹性力学方法求解接触问题[3]。随着计算机的技术的发展，各种数值方法得到广泛的应用。接触问题的数值方法又称为非经典弹性力学方法，包括有限元法，边界元法和数学规划法，边界元与有限元的偶合法，边界元或有限元与数学规划法的结合[4]。数学规划法是将连续条件、非嵌入条件，引入接触体的能量泛函中，求解能量最小化序列问题。这种方法有时得不到最优解。

有限元法发展早，有普及广、功能强的大型标准程序，如：SAP、ADINA、ANSYS等，用的较多。所做的研究有：有大连铁道学院[5]做的根据接触问题的有限元二次规划解法，定量分析了影响强度的几个因素。本文所分析的齿轮传动的主要数据为齿数51、厚度28mm、分度圆直径102mm、模数2mm，运行VB开发的齿轮工具箱，生成齿轮模型，然后建立完整分析齿轮模型。

将建立好的三维模型导入ANSYS中，按划分网格、施加载荷和约束及后处理的步骤对齿轮进行分析，分析结果如图1、图2。要对齿轮进行接触分析的有限元计算，划分网格的质量是很关键的。若直接利用ANSYS提供的自由网格划分功能，对整个齿轮划分网格，划分出单元是四面体形状，轮齿上的网格划分的很细，轮体上的网格划分很粗，致使轮齿和轮体上的单元大小相差很大，在计算时易形成病态的刚度矩阵。由于体扫掠网格划分方法，划分出的单元形状是六面体单元，易于控制实体各部分的网格的大小，故对两个齿轮的三维实体采用体扫掠网格划分方法。为能进行体扫掠网格划分，对两个齿轮实体模型进行了合理的分块，每块是只包含一个源面和一个目标面的小实体，这些小实体是相互粘接的以保证划分网格也是相联接的。对每个小实体进行网格划分控制，着重对齿轮上的轮齿进行较细划分，使两个齿轮在啮合时有足够的单元参与接触并使轮体与轮齿上的网格划分尽量均匀。这样划分的网格计算比较精确。同时要对齿轮上的轴向上的线和齿轮端面轮廓上的线划分的单元数要进行适当的控制，使轮齿和轮体的网格划分尽量均匀，必须使用网格划分工具的功能对齿轮进行网格划分的控制。

从应力云图和受力图可以看出，齿根应力最大，最大变形量为位于齿轮顶端，这与理论相符。但是，由于在做齿轮分析时没考虑：齿向载荷分布系数、齿廓齿轮的应力、修正系数、齿形系数、重合度系数等修正因素，所以与实际有一定的差距，如果综合考虑以上因素，结果应该更加准确。由于直接在ANSYS中精确建立齿轮的齿廓很困难，可利用CATIA的强大三维建模功能与VB友好的界面及强大的二次开发功能，建立齿轮的三维模型。并将此三维模型导入ANSYS中，在ANSYS软件中进行分析及处理。

3 结论

CAD/CAM技术在机械设计制造行业的广泛应用使得其效率得到提高，而虚拟现实技术则作为它们的扩展，使在平面的显示得到了向空间的发展，并且人机交互得到大幅提高，机械设计制造流程变得更加形象简单。随着技术的发展，未来很可能会产生像科幻电影《钢铁侠》里那样的设计系统：全息投影，直接用手操作，并且数据实时智能化存储，人机甚至可以用语音直接对话而不是采用呆板的键盘输入，设计制造智能控制。届时，因其强大的互动性和及其简单的操作，机械设计制造将不是少部分人的专利，而是全民都可以参与其中，整个制造业将发生翻天覆地的变化。

参考文献

[1] 陈泽等.基于虚拟现实的移动械臂控制系统分析[J]，山东建筑大学学报，2013，2（1）：68-72

[2] 郭朝霞.虚拟现实技术实现机械产品的优势分析[J]，教育教学论坛，2014，5（20）：197-200

[3] 杜庆华，于寿文.弹性理论[M]，北京：科学出版社，1992

[4] 李润方，.龚剑霞.接触问题数值方法[M]，重庆：重庆大学出版社，1991

[5] 张展.齿轮减速器现状及发展趋势[J]，水利电力机械，2011，23（1）：58-59