《計算機(jī)仿真技術(shù)》課程大作業(yè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中增速器的三維建模與仿真試驗研究

1、武漢理工大學(xué) (計算機(jī)仿真技術(shù)課程大作業(yè)) 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中增速器的三維建模與仿風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中增速器的三維建模與仿 真試驗研究真試驗研究 學(xué)院（系）： 物流工程學(xué)院 專業(yè)班級： 機(jī)械制造研 1110 班 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 目目 錄錄 摘 要 .1 abstract .2 1 增速器的三維建模與虛擬裝配 .3 1.1 零件的三維設(shè)計 .3 1.2 虛擬裝配 .6 1.2.1 虛擬裝配的概論 .6 1.2.2 虛擬裝配定義及特點 .7 1.2.3 裝配信息及裝配關(guān)系 .7 1.2.4 基于物理屬性的虛擬裝配 .9 2 增速器的靜力學(xué)分析 .17 2.1 靜力學(xué)分析簡介 .17 2.2 接觸分析

2、理論 .19 2.3 第一級行星輪系靜力學(xué)分析 .21 2.3.1 建立有限元模型 .22 2.3.2 建立接觸對 .23 2.3.3 施加有限元模型的約束和載荷 .24 2.3.4 選擇分析類型并設(shè)置分析選項 .26 2.3.5 求解 .26 2.3.6 查看分析結(jié)果接觸分析的結(jié)果 .27 3 總結(jié)與展望 .30 3.1 工作總結(jié) .30 3.2 工作展望 .30 參考文獻(xiàn) .32 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè) 1 摘 要 本文首先借助 solidworks 三維建模軟件對 1500kw 風(fēng)力發(fā)電機(jī)增速器進(jìn)行了三維建 模并完成虛擬裝配，隨后借助有限元分析軟件 ansys 對增速器的重要零部件進(jìn)行特性

3、分 析。通過分析結(jié)果與理論計算值進(jìn)行比較，所得結(jié)果對于改進(jìn)設(shè)計方法，實現(xiàn)提高增速 器各項性能具有重要的指導(dǎo)意義。 論文主要研究了增速器的第一級行星輪系，通過將建立的模型導(dǎo)入有限元分析軟件 ansys 中，計算應(yīng)力。研究結(jié)果表明：在 ansys 中計算出的最大應(yīng)力值小于理論計算的最 大應(yīng)力值，計算結(jié)果滿足材料的許用接觸應(yīng)力要求。 本文的特色在于：利用現(xiàn)有的軟件對增速器的工作進(jìn)行了模擬和分析。對接觸分析 進(jìn)行深入研究。 關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；增速器；建模；虛擬裝配；ansys 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè) 2 abstractabstract this paper first completes model

4、ing and virtual assembly of 1500kw wind generator speeder by using solidworks, a three-dimensional modeling software.then analysis the important components of the speeder by ansys,a finite element analysis software . the analysis results compares to the theoretical calculated. it is important to imp

5、rove the design method ,and it has an important significance to achieve to improve the performance of speeder. this paper mainly studies the first grade planetary gear system. the model will be imported in ansys to calculate the stress and get the natural frequencies and mode shapes by modal analysi

6、s.the results show that the maximum stress calculated in ansys is less than the maximum stress calculated in theoretical，so it satisfies the material requirements of the contact stress allowable. in this paper the feature is that the working of speeder was simulated and analyzed by using the existin

7、g softwares. its in-depth study of the contact analysis. key words：wind generator；speeder；modeling；virtual assembly；ansys 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè) 3 1 增速器的三維建模與虛擬裝配 1.1 零件的三維設(shè)計 隨著信息技術(shù)在各個領(lǐng)域的迅速滲透，cad/cam/cae 技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，從 根本上改變了傳統(tǒng)的設(shè)計、生產(chǎn)、組織模式，對推動現(xiàn)有企業(yè)的技術(shù)改造、帶動整個產(chǎn) 業(yè)結(jié)構(gòu)的變革、發(fā)展新興技術(shù)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長都具有十分重要的意義。solidworks 是一 種三維設(shè)計軟件，屬

8、于 cad/cam/cae 類軟件，solidworks 已經(jīng)成功地用于機(jī)械設(shè)計、機(jī) 械制造、電子產(chǎn)品開發(fā)、模具設(shè)計、汽車工業(yè)和產(chǎn)品外觀設(shè)計等方面。 在本文中選用的建模工具為 solidworks 軟件，通過拉伸、放樣、旋轉(zhuǎn)、薄壁特征、 抽殼、鈑金、掃面等操作來實現(xiàn)產(chǎn)品的建模，雖然增速器的各個零部件都不一樣，但是 基本上所有的零件都是以上幾種特征組成。在特征命令中可以分成基礎(chǔ)特征、裝飾特征 和變換特征，如拉伸/切除拉伸、旋轉(zhuǎn)/切除旋轉(zhuǎn)、掃描/切除掃描、放樣/切除放樣等屬 于基礎(chǔ)特征；圓角、倒角、抽殼、拔模、筋、圓頂、異型孔等屬于裝飾特征；變形、圓 周陣列、復(fù)制移動等屬于變換特征。 solidw

9、orks 三維設(shè)計軟件是一個基于特征的參數(shù)化實體建模設(shè)計工具。參數(shù)化特征 建模設(shè)計不僅能夠方便客戶對產(chǎn)品提出參數(shù)修改使之符合實際需要，而且可促進(jìn)企業(yè)對 產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計。對不符合設(shè)計開發(fā)要求的產(chǎn)品，采用直接修改特征模型或關(guān)系來實現(xiàn) 同種零件不同參數(shù)的設(shè)計。特征建模過程就是選擇特征類型、定義特征屬性、安排特征 建立順序從而生成零件的過程。在 solidworks 中建立實體前，首先要對實體進(jìn)行結(jié)構(gòu)特 征分析，確定特征建立的先后順序以及每個特征建立的方法，所建立的特征盡可能簡單， 參數(shù)尺寸盡可能少，建立特征時應(yīng)盡量減少尺寸的修改，同時保證不引起其他特征的改 變。大部分零件都是由 2d 草圖繪制開始，

10、再由 2d 草圖生成 3d 實體，首先選中一個基準(zhǔn) 面，使用草圖繪制命令，即可在此基準(zhǔn)面上開始草圖繪制，草圖完成后通過對其進(jìn)行拉 伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、放樣等操作得到一個基本特征，再通過添加裝飾特征和變換特征，幾 個特征組合起來時形成各種零件。根據(jù)所設(shè)計的零件形狀在其他基準(zhǔn)面建立草圖，隨后 進(jìn)行拉伸、掃描、放樣、旋轉(zhuǎn)等特征操作，完成一個普通零件的三維建模。因此建模時 將零件的每一個加工形狀定義成特征，再利用各種特征的組合就可以完成零件的建模。 同時利用 solidworks 軟件中的插件可快速生成某些零件，如利用 geartax 插件可快速生 成齒輪，利用 toolbox 生成某些標(biāo)準(zhǔn)件等，非常方便

11、快捷1。 由于 solidworks 軟件采用參數(shù)化設(shè)計思路，在實體建模中所做的更改可以自動、快 速、準(zhǔn)確地反映到裝配體、工程圖等相應(yīng)關(guān)聯(lián)模塊中去，而無需再像二維 cad 圖那樣， 更改零件后必須同時在裝配圖中作相應(yīng)的改動，這樣既免去了不必要的麻煩，又保證了 設(shè)計的精確性。部分建模零件如圖 1-1-11-1-6 所示。 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè) 4 圖 1-1-1 齒輪箱體 圖 1-1-2 斜齒輪 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè) 5 圖 1-1-3 行星架 圖 1-1-4 轉(zhuǎn)臂 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè) 6 圖 1-1-5 箱體 圖 1-1-6 齒輪軸 1.2 虛擬裝配 1.2.1 虛擬裝配的概論 計算機(jī)仿真技

12、術(shù)大作業(yè) 7 隨著計算機(jī)軟件硬件技術(shù)的發(fā)展，在機(jī)械制造領(lǐng)域中，零件的計算機(jī)輔助設(shè)計和加 工技術(shù)也發(fā)生了很大的變化。然而，在裝配環(huán)節(jié)上，人工操作歷來都作為一個生產(chǎn)要素 出現(xiàn)，都依賴于人的技巧和判斷能力來進(jìn)行復(fù)雜的操作，具有很強(qiáng)的智能性和高度的復(fù) 雜性，因而在設(shè)計技術(shù)、加工技術(shù)快速發(fā)展的今天，裝配工藝成為現(xiàn)代化生產(chǎn)的薄弱環(huán) 節(jié)，成為制約先進(jìn)制約制造技術(shù)發(fā)展的瓶頸；同時以往的裝配過程被局限在“設(shè)計-制作 （裝配）-評價”和“實物驗證”的封閉時空模式中，裝配關(guān)系的滯后檢驗，帶來成本的 巨大浪費，同時也完全不符合快速反應(yīng)市場的需要。 虛擬裝配是新興的虛擬產(chǎn)品開發(fā)研究中的重要內(nèi)容。采用虛擬裝配技術(shù)可以在設(shè)

13、計 階段就驗證零件之間的配合和可裝配性，保證設(shè)計的正確性，在裝配模型和裝配建模工 具的支持下，一次就可設(shè)計、制造成功一個具有幾十萬個零部件的龐然大物，極大地縮 短開發(fā)周期和節(jié)約開發(fā)成本。 裝配指將零件結(jié)合成為完整的產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。在一個產(chǎn)品的壽命循環(huán)中，裝配是 個很重要的環(huán)節(jié)。裝配的工作效率和工作質(zhì)量對產(chǎn)品的制造周期和產(chǎn)品的最終質(zhì)量都有 極大的影響。據(jù)有關(guān)資料介紹，裝配工作成本占總制造成本的 40%50%左右。 1.2.2 虛擬裝配定義及特點 狹義的說，裝配就是把幾個零部件套裝在一起形成一臺機(jī)器或一個部件的過程，廣義 而言，裝配存在于產(chǎn)品周期的全過程，它始于產(chǎn)品的設(shè)計之初，直到產(chǎn)品報廢才告結(jié)束

14、。 進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計，開始就應(yīng)該考慮組成產(chǎn)品的各零件之間的裝配關(guān)系，例如：模數(shù)不同， 壓力角不同的兩個齒輪不能嚙合，他們之間就不具有裝配關(guān)系。在一臺機(jī)器使用過程中 隨著磨損加劇，某些零件之間就會松動，零件之間的裝配關(guān)系就發(fā)生變化2。 從前，檢驗設(shè)計正確與否的關(guān)鍵措施是利用樣品。當(dāng)應(yīng)用一個零部件與另一個零部 件進(jìn)行裝配失敗后，返回裝配結(jié)果，重新設(shè)計，重新生成樣品，重新用真實裝配來檢驗。 利用虛擬裝配技術(shù)，在計算機(jī)上將設(shè)計得到的三維模型預(yù)裝配到一起，可以避免物理原 型的應(yīng)用，可對零部件進(jìn)行干涉檢驗，減少樣品的利用率，最關(guān)鍵的是能在產(chǎn)品設(shè)計過 程中利用各種技術(shù)手段如分析、評價、規(guī)劃、仿真等充分考慮產(chǎn)品的

15、裝配環(huán)節(jié)以及與其 相關(guān)的各種因素的影響，在滿足產(chǎn)品性能與功能的條件下改進(jìn)產(chǎn)品的裝配結(jié)構(gòu)，使設(shè)計 出的產(chǎn)品是可以裝配的，并盡可能降低裝配成本和產(chǎn)品總成本，減少設(shè)計所需時間，這 就是面向裝配的設(shè)計。同時在產(chǎn)品設(shè)計完成以后，進(jìn)行總裝檢測，檢查產(chǎn)品的可裝配性， 及優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計精度、制造精度和成本之間的性價比3。 在虛擬裝配中通常需要完成以下的工作： （1）建立靈活的裝配模型。向系統(tǒng)中導(dǎo)入單個的零部件，將零部件編組生成整個的 部件裝配體；給零部件添加上材料、顏色、特征等信息；給零部件間添加各種裝配關(guān)系。 （2）增加裝配層次關(guān)系。 （3）完成裝配仿真。 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè) 8 1.2.3 裝配信息及裝配

16、關(guān)系 裝配體是一組相互關(guān)系的零件的集合，描述一個完整的裝配體，除各個零件的信息 外，還需要零件間相互關(guān)聯(lián)的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，因此，裝配模型的完整信息包括三個方面： 零件信息；確定裝配中零件位置和方向的裝配關(guān)系信息；裝配體中零件之間的層次關(guān)系 信息。 （1）零件信息 零件信息主要指產(chǎn)品的屬性信息，包括幾何屬性、工程設(shè)計屬性、 物理屬性（質(zhì)量、材質(zhì)、紋理等）以及零件間的約束關(guān)系。這類信息部分從 cad 系統(tǒng)傳 入。 （2）裝配關(guān)系信息 裝配關(guān)系也包括兩個方面的內(nèi)容：確定裝配體中零件的相對 位置和方向的定位關(guān)系；形成裝配體的各個零件參與裝配的局部幾何結(jié)構(gòu)之間的配合關(guān) 系。包含裝配中產(chǎn)品的行為信息：零件的裝

17、配順序、裝配路徑、裝配過程中的零件的掃 描體積等。這類信息主要在虛擬裝配過程中建立。 （3）層次關(guān)系 裝配體可能分解成不同層次的子裝配體，子裝配體又可分解成若 干子裝配體和各個零件。裝配體一般指機(jī)械產(chǎn)品，子裝配體是指部件。通常將零件、子 裝配體、裝配體之間的這種層次關(guān)系直觀的表示成一裝配樹，如圖 1-2-1 所示，樹的根 節(jié)點是裝配體，葉節(jié)點是組成裝配體的各個零件，中間節(jié)點則是子裝配體。裝配樹的層 次關(guān)系體現(xiàn)了實際形成裝配體的裝配順序，同時也表達(dá)了裝配體、子裝配體及零件之間 的父、子從屬關(guān)系。 裝配體 子裝配體零件子裝配體 子裝配體零件子裝配體零件 體 圖 1-2-1 裝配樹 產(chǎn)品中零、部件的

18、裝配設(shè)計往往是通過相互之間的裝配關(guān)系表現(xiàn)出來，因此，描述 產(chǎn)品零、部件之間裝配關(guān)系是建立裝配模型的關(guān)鍵。 裝配關(guān)系是零部件之間的相對位置和配合的關(guān)系，它反映零件之間的相互約束及相 對運(yùn)動。從不同的應(yīng)用角度，裝配關(guān)系有不同的分類。根據(jù)機(jī)械裝配的有關(guān)知識，零件 的裝配關(guān)系不僅取決于零件本身的幾何特征，如軸孔配合有無倒角，還部分取決于零件 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè) 9 的非幾何特征（如零件的重量、精密程度）和裝配操作的有關(guān)特征（如零件的裝配方向、 裝配方法以及 裝配力的大小等） ；對特殊零部件如螺紋連接件，可采用直接連接等。 一般而言，產(chǎn)品零、部件之間一般具有如圖 1-2-2 所示四類基本的裝配關(guān)系：位

19、置 關(guān)系，配合關(guān)系，連接關(guān)系，運(yùn)動關(guān)系。 裝配關(guān)系 配合關(guān)系 位置關(guān)系 連接關(guān)系 運(yùn)動關(guān)系 過盈配合 相對運(yùn)動關(guān)系 傳動關(guān)系 過渡配合 貼合關(guān)系 對齊關(guān)系 定向關(guān)系 插入關(guān)系 聯(lián)軸器連接 螺紋連接 鍵連接 鉚接 粘接連接 銷連接 焊接連接 間隙配合 圖 1-2-2 裝配關(guān)系分類 配合關(guān)系專門用于描述產(chǎn)品零、部件之間配合關(guān)系的類型、代碼和精度。配合關(guān)系 中包含有： 配合特征幾何元素-零件間的配合點、線、面稱為零件的配合特征幾何元素； 配合類型-配合類型屬性描述特征幾何元素之間的聯(lián)接類型。包括間隙配合、過渡配 合、過盈配合等。 根據(jù)零部件本身的幾何特征，考慮零部件之間的約束關(guān)系，各種文獻(xiàn)給出了多種

20、位 置關(guān)系的分類，通過對實際裝配體設(shè)計的考察，可以概括出如下四類基本的幾何約束： （1）貼合關(guān)系。包含貼合及等距偏離。面貼合要求裝配體構(gòu)件的兩個表面接觸；等 距偏離要求兩個表面相向平行且相距某個距離。主要用以描述平面之間的配合關(guān)系。 （2）對齊關(guān)系。包含對齊及等距對齊。對齊是指兩個對象之間的重合關(guān)系，它可分 為面對齊、邊對齊、點對齊等。面對齊是指兩個表面相鄰且在同一物理平面上；邊對齊 是指兩條邊重合在同一直線上；點對齊是指；兩個點重合。等距對齊是指兩個面對齊且 相鄰邊平行。 （3）定向關(guān)系。即定向約束，描述兩個元素間的方向關(guān)系，可以指面與面之間、邊 與邊之間的這種關(guān)系。 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè)

21、10 （4）插入關(guān)系。插入，描述廣義孔和廣義軸之間的配合關(guān)系。連接關(guān)系描述產(chǎn)品零、 部件幾何元素之間的直接連接關(guān)系，如螺釘連接、鍵連接等；運(yùn)動關(guān)系描述產(chǎn)品零、部 件之間的相對運(yùn)動關(guān)系和傳動關(guān)系，如繞軸旋轉(zhuǎn)等。 1.2.4 基于物理屬性的虛擬裝配 基于物理模型的方法(physical based)，指的是從物體的固有性質(zhì)出發(fā)，從中提取 出一般的自然規(guī)律，在計算機(jī)中真實的將其再現(xiàn)出來。英文的 physical 其實包含了兩層 意思:第一是客觀存在，表明這個東西是現(xiàn)實世界中存在的而不是憑空想象的，是看得見 摸得著的；第二是符合自然規(guī)律，即這個事物是自然界中的一份子，它的運(yùn)動必須符合 大自然所賦予它的

22、規(guī)律，就像蘋果具有重力效果，物體之間相互不可穿透。 裝配零部件的物理屬性是現(xiàn)實世界環(huán)境中完成裝配過程的一個重要的條件。零件材 料性能不同，其內(nèi)部性能也不同，在裝配過程中的表現(xiàn)出的特點也就不同。這些不同應(yīng) 該在虛擬環(huán)境下很好的反應(yīng)出來。要做到與真實裝配過程相同，單單從外形上模擬是不 夠的，還需要考慮零部件裝配時的運(yùn)動學(xué)屬性。即在原有的計算點點、點線、線 線的空間距離的基礎(chǔ)上，考慮零部件質(zhì)量、運(yùn)動屬性、受力情況、動力學(xué)參數(shù)等物理屬 性，構(gòu)造出基于物理屬性的裝配動力學(xué)模型。這樣一來，在虛擬裝配環(huán)境中不僅僅只能 單一的完成零部件裝配工作，還可以將強(qiáng)度校核動力學(xué)分析等內(nèi)容添加到裝配過程中， 并根據(jù)計算分

23、析結(jié)果來控制裝配流程，從而讓虛擬裝配更加接近真實裝配的物理過程， 從單純模擬裝配過程深入到從物理屬性甚至生物屬性模擬零件裝配，達(dá)到與客觀事實的 無限接近。 圖 1-2-3 所示為傳統(tǒng)的現(xiàn)實制造，它需要從設(shè)計-試制-評價-制造反復(fù)循環(huán)，需要反 復(fù)制造與實驗物理樣機(jī)，從試制階段起就需要投入大量的原料、人員、廠房、設(shè)備，時 間長，成本高，效率低，風(fēng)險大。 圖 1-2-4 所示為虛擬制造，它的設(shè)計-加工-裝配-評價階段都可以在虛擬環(huán)境下進(jìn)行， 即所謂“數(shù)字樣機(jī)”的反復(fù)設(shè)計-加工-轉(zhuǎn)配-評價，得到的和傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)信息；在實際 制造階段才需要投入原料、人員、廠房、設(shè)備，時間短、成本低，效率高，風(fēng)險小，可

24、以迅速對市場的需求作出反應(yīng)4。 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè) 11 外在因素變化 圖 1-2-3 傳統(tǒng)的現(xiàn)實制造 虛擬設(shè)計 虛擬加工 虛擬裝配 評價 實際制造 廠房設(shè)備 原料人員 數(shù)據(jù)信息 反 饋 信 息 產(chǎn) 品 圖 1-2-4 虛擬制造 本文中正是采用了基于物理屬性的虛擬裝配方法，利用 soildworks 軟件實現(xiàn)了風(fēng)力 發(fā)電增速器虛擬樣機(jī)的構(gòu)建。在建立所有零件的三維模型后，需要將零件裝配起來，通 過裝配可以發(fā)現(xiàn)零件尺寸及零件間關(guān)系是否正確。在裝配的環(huán)境里，可以方便地設(shè)計和 修改零部件。solidworks 可以動態(tài)地查看裝配體的所有運(yùn)動，并且可以對運(yùn)動的零部件 進(jìn)行動態(tài)的干涉檢查和間隙檢測。so

25、lidworks 用捕捉配合的智能化裝配技術(shù)，來加快裝 配體的總體裝配并且智能化裝配技術(shù)能夠自動地捕捉并定義裝配關(guān)系。虛擬裝配流程圖 見 1-2-5. 設(shè)計試制評價制造 試制 試制 試制 原料人員 設(shè)備廠房 原料人員 廠房設(shè)備 產(chǎn)品 不 通 過 不 通 過 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè) 12 開始 明確設(shè)計，構(gòu)思輪廓 solidworks 建模 虛擬裝配 干涉檢查，間隙檢測 修改 符合條件 有限元分析 y n 圖 1-2-5 虛擬裝配流程圖 特別提出的是，在 soildworks 中，我們利用定義端面平行、軸間距、建立輔助分度 圓的方法實現(xiàn)了齒輪間的精確裝配，為后面的有限元分析奠定了基礎(chǔ)。具體裝配實例

26、如 圖 1-2-6 和 1-2-13 所示。 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè) 13 圖 1-2-6 第一級行星輪系裝配 圖 1-2-7 行星架裝配 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè) 14 圖 1-2-8 輸出端裝配 圖 1-2-9 轉(zhuǎn)臂裝配 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè) 15 圖 1-2-10 傳動部件裝配 圖 1-2-11 出輪軸裝配 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè) 16 圖 1-2-12 增速器總裝圖 圖 1-2-13 增速器總裝圖剖面圖 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè) 17 2 增速器的靜力學(xué)分析 2.1 靜力學(xué)分析簡介 結(jié)構(gòu)靜力分析用來計算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，即由于穩(wěn)態(tài)外載引起的 系統(tǒng)或部件的位移、應(yīng)力、應(yīng)變。同時，結(jié)構(gòu)

27、靜力分析還可以計算那些固定不變的慣性 以及那些可以近似為靜力作用的隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)的影響5。 在結(jié)構(gòu)靜力分析中，一般都假定載荷和響應(yīng)固定不變，或假定載荷隨時間的變化非 常緩慢。ansys 程序中結(jié)構(gòu)靜力分析所施加的載荷包括外部載荷、穩(wěn)態(tài)的慣性載荷、位移 載荷和溫度載荷，對于具體的工作特性施加必要的載荷。靜力分析可以是線性的也可以 是非線性的。非線性靜力分析包括材料非線性、幾何非線性和狀態(tài)非線性，具體涉及到： 大變形、塑性、蠕變、應(yīng)力鋼化、接觸單元以及超彈性等。線性靜力學(xué)分析，即小變形 情況，材料也是線彈性的。本文中分析的問題為齒輪的嚙合問題，屬于接觸問題，也是 狀態(tài)非線性靜力分析。 1.

28、非線性靜力學(xué)分析步驟通常有以下幾步： （1）建模。首先應(yīng)該指定工作目錄、文件名和分析標(biāo)題，然后通過 prep7 前處理器 定義模型幾何元素、單元類型、實常數(shù)、材料參數(shù)，最后通過軟件自身的建模模塊進(jìn)行 建?；蛲ㄟ^外部導(dǎo)入實體模型并劃分網(wǎng)格。 （2）設(shè)置求解控制。設(shè)置求解控制包括定義分析類型、設(shè)置一般分析選項、定義邊 界條件、設(shè)置輸出格式、進(jìn)行求解計算。 （3）求解。 （4）檢查分析結(jié)果。非線性靜力分析結(jié)果保存于結(jié)構(gòu)分析結(jié)果文件（jobname.rst） 中，一般結(jié)果文件包括了以下數(shù)據(jù)。 基本解：節(jié)點位移信息（ux、uy、uz、rotx、roty、rotz） 導(dǎo)出解：節(jié)點和單元應(yīng)力、節(jié)點和單元應(yīng)變

29、、單元集中力及節(jié)點支反力等。 2.非線性分析的方程求解： ansys 程序的方程求解器求解一系列聯(lián)立的線性方程來預(yù)測工程系統(tǒng)的響應(yīng)。然而， 非線性結(jié)構(gòu)的行為不能直接用這樣一系列的線性方程組來表示。需要一系列帶校正的線 性近似來求解非線性問題。 一種近似的非線性求解是將載荷分成一系列的載荷增量?？梢栽趲讉€載荷步內(nèi)或者 在一個載荷步的幾個子步內(nèi)施加載荷增量。在每一個載荷增量求解完成后，繼續(xù)計算下 一個載荷增量前 ansys 自動調(diào)整剛度矩陣以反映結(jié)構(gòu)剛度的非線性變化。但是，純粹的 增量近似不可避免的要隨著每一個載荷增量累積誤差，導(dǎo)致結(jié)果最終失去平衡，如圖 3- 1-1 所示。 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè)

30、 18 誤差計算變形 實際變形 f u 圖 2-1-1 純增量近似解 ansys 通常使用牛頓-拉普森（nr）平衡迭代6克服這種困難，它迫使在每一個載荷 增量的末端解達(dá)到平衡收斂。如圖 2-1-2 所示描述了但自由度分析中牛頓-拉普森平衡迭 代的使用。在每次求解前，nr 方法估算出殘差矢量，這個矢量是回復(fù)力（對于單元應(yīng)力 的載荷）和所加載荷的差值，然后使用非平衡載荷進(jìn)行求解，并核查收斂性。如果不滿 足收斂準(zhǔn)則，則重新估算非平衡載荷，修改剛度矩陣，獲得新解。持續(xù)這種迭代直到問 題收斂為止。 f u 圖 2-1-2 nr 平衡迭代方法 ansys 程序提供了一系列命令來增強(qiáng)問題的收斂性，例如自適應(yīng)

31、下降、線性搜索、自 動載荷步長和二分法等，可被激活來加強(qiáng)問題的收斂性。如果不能得到一個載荷步的收 斂解，那么程序或者繼續(xù)下一個載荷步計算或者終止7。 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè) 19 2.2 接觸分析理論 接觸問題不但屬于狀態(tài)非線性問題，而且還是一種高度非線性行為，需要較多的計 算資源，為了進(jìn)行更為有效的計算，抓住接觸問題的特點和合理建立分析模型是得到正 確解的前提。 接觸問題之所以成為有限元分析里一個難題，主要是因為兩個原因:其 一，由于接觸面變形的隨意性，接觸區(qū)域的范圍不能準(zhǔn)確界定，接觸面的狀態(tài)是未 知的，載荷、材料、邊界條件及其它因素變化也會對其產(chǎn)生明顯影響;其二，摩擦力問題 是接觸問題中常常

32、需要考慮的一個重要因素，而非線性的摩擦模型無法保證接觸問題求 解的收斂性。 在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，齒輪屬于傳動系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，負(fù)責(zé)動力在增速器內(nèi)的傳輸。 在正常工作狀態(tài)下，由于漿葉處安裝有控制器，增速器輸入轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，故各齒輪可視為 勻速運(yùn)動，基本不會出現(xiàn)速度波動的情況。所以，嚙合過程可以近似簡化為一個準(zhǔn)靜態(tài) 的接觸過程。為了方便計算，齒輪嚙合時受力所產(chǎn)生的變形近似地看作彈性變形。解析 法和數(shù)值計算是接觸問題中采用的最多的兩種算法8。 （1）解析法也就是通常所說的經(jīng)典接觸力學(xué)法。其求解方法是應(yīng)用拉普位移函數(shù)或 者位移勢函數(shù)計算。在經(jīng)典接觸力學(xué)理論中，為了解決漸開線齒輪的計算不收斂性問題， 將輪齒接觸

33、簡化為圓柱體間線接觸問題，即把復(fù)雜的漸開線齒面嚙合問題簡化為線性接 觸問題，而圓柱體的半徑為嚙合位置的齒廓節(jié)點處曲率半徑。將最大接觸壓應(yīng)力定義在 接觸區(qū)域中線的各點上，其值等于平均接觸壓應(yīng)力的 4 爪倍。雖然經(jīng)典接觸力學(xué)僅僅適 用于一些模型形狀規(guī)則的接觸問題，不具備大范圍應(yīng)用的能力，但可以根據(jù)它得出的收 斂性結(jié)果揭示接觸問題的一般規(guī)律。 （2）非經(jīng)典接觸力學(xué)。非線性問題求解在接觸問題中普遍存在的，彈性、非彈性接 觸問題都存在表面非線性問題。由于接觸面積變化會引發(fā)的接觸壓力分布變化和摩擦作 用都會產(chǎn)生非線性計算結(jié)果，這就決定了接觸問題屬于不定邊界問題。由于預(yù)先很難得 知接觸界面的準(zhǔn)確位置，接觸條

34、件也不是一個確定值，所以接觸問題求解需要復(fù)雜的反 復(fù)迭代計算。這就導(dǎo)致了非線性接觸問題在很長一段時間 t 內(nèi)成為一個難以解決的問題。 隨著現(xiàn)代計算機(jī)計算能力的日益強(qiáng)大，復(fù)雜的迭代計算不再是難題，越來越多的復(fù)雜的 接觸問題得到解決。目前，非經(jīng)典接觸力學(xué)己經(jīng)廣泛的應(yīng)用于工程非線性接觸分析。在 利用有限元法分析接觸問題時，通常提出以下假定: 1）齒輪是分布均勻的各方向性質(zhì)相同的線性彈性材料。 2）將齒輪近似看為理想的齒廓外形，其接觸區(qū)域用用節(jié)點參量來表示各類邊界條件。 3）接觸齒面光滑連續(xù)，且接觸線上各點沿同一方向發(fā)生變形，接觸載荷沿法向均布。 4）忽略熱變形對接觸的影響，以庫侖定律來計算摩擦作用力

35、。 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè) 20 一對漸開線齒輪齒面分離時，共有三種邊界狀態(tài)，即連續(xù)狀態(tài)、滑動狀態(tài)和分離狀 態(tài)。世界坐標(biāo)系下其有限元基本方程如式(2-1): (2-1) 1111 cccc kupr k upr 式中，、 輸入齒輪、輸出齒輪的剛度矩陣 1 k c k 、輸入齒輪、輸出齒輪的嚙合節(jié)點位移向量 1 u c u 、 作用在輸入齒輪、輸出齒輪的外載荷向量 1 p c p 、 接觸力向量 1 r c r 用和分別表示輪齒局部坐標(biāo)系(n，t)下的第 i 個接觸點 j 方向上的接觸力和位 移分量，a、b 表示輸入齒輪、輸出齒輪，則 連續(xù)狀態(tài) (2-2) ba ijij ba ininin ba

36、 ititit 滑動狀態(tài) (2-3) ba ijij ba ininin b itin rr 分離狀態(tài) (2-4) 0 ba ijij ansys 中接觸問題分為兩個基本類型: （1）剛體一柔體的接觸 發(fā)生接觸的兩個物體具有不同的剛度，即為剛體柔體接觸。其中剛度較大的物體 將被當(dāng)做剛體，剛度較小的物體將被作為變形體。擠壓成型過程的模擬即屬于此類問題。 （2）柔體一柔體的接觸 與剛體柔體接觸相比，柔體柔體的接觸類型應(yīng)用更為普遍。它將具有相近的剛 度的兩個接觸體均視為為變形體。本文中將要進(jìn)行的漸開線齒輪接觸分析正屬于此類問 題。 接觸對的建立是在 ansys 中進(jìn)行接觸分析的一個重要步驟，它是通過

37、覆蓋在模型可 能接觸面上的接觸單元來識別的。在 ansys 共支持三種接觸方式:點點、點一面、面一 面的接觸，各有不同的接觸單元與之對應(yīng)。 (l)點一點接觸 當(dāng)兩個接觸體之間節(jié)點一一對應(yīng)，接觸面滑動較小或可以忽略不計時即可以利用點 一點接觸單元來進(jìn)行模擬。在這類接觸問題中，需要預(yù)先知道接觸位置。廣義軸與廣義 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè) 21 孔裝配問題即是點一點接觸單元模擬的典型應(yīng)用。 (2)點一面接觸 在不確定準(zhǔn)確的接觸位置的情況下，我們可以使用點一面接觸單元。這種接觸單元 既適用于剛體，也適用于柔體，并且對網(wǎng)格一致性要求較低，適用于接觸體之間出現(xiàn)大 變形量和大相對滑動量的情況。 (3)面一面接觸

38、 面一面接觸單元既適用于模擬剛體一柔體，也適用于模擬柔體一柔體接觸問題。這 種接觸方式中，ansys 將剛性面作為目標(biāo)面，將柔性面作為接觸面處理。漸開線齒輪接觸 分析屬于此類接觸方式。 ansys 的接觸分析中，用戶首先需要將可能發(fā)生接觸的位置定義為接觸面，在這些面 上將定義一層不計厚度的基本單元。求解過程中，先對局部接觸單元的剛度矩陣進(jìn)行求 解，然后將求解后的結(jié)果疊加到實體單元節(jié)點上，最后利用整體平衡方程進(jìn)行求解，此 種處理方法可以減少迭代次數(shù)，簡化計算。ansys 中求解接觸問題的算法有 lagrange 算 法、擴(kuò)展 lagrange 算法和罰函數(shù)法。其中罰函數(shù)法應(yīng)用最為廣泛。罰函數(shù)法公

39、式（4- 5）所示: （2-5）fkx 式中，是法向接觸應(yīng)力，是接觸剛度，是接觸位移(穿透值)。該方法使接觸fkx 應(yīng)力與接觸位移成線性比例。接觸位移與接觸剛度成反比。故當(dāng)接觸剛度趨近于無窮大 時，接觸位移趨近于無窮小，這與真實情況相同，從側(cè)面驗證了公式的正確性。 面一面接觸單元有以下優(yōu)點:支持低階和高階單元;支持有大滑動和摩擦的大變形;提 供更多、更好的結(jié)果數(shù)據(jù)，例如法向應(yīng)力和摩擦應(yīng)力;對接觸表面的形狀沒有限制;允許 各種復(fù)雜建模控制11。 2.3 第一級行星輪系靜力學(xué)分析 接觸是一個復(fù)雜的非線性問題，它涉及到接觸狀態(tài)的改變，還可能伴隨有熱、電等 過程。齒輪的嚙合是一種典型的接觸行為。一對齒

40、輪的嚙合過程是從動輪齒頂與主動輪 的齒根嚙合時開始，主動輪齒頂與從動輪齒根嚙合時結(jié)束。齒輪嚙合過程中，隨著輪齒 嚙合對數(shù)的變化、接觸區(qū)的改變、齒面的彈性變形和齒面載荷分布的非線性等多種復(fù)雜 因素的影響，使得齒輪的接觸強(qiáng)度計算變得異常復(fù)雜，準(zhǔn)確分析齒輪接觸問題變得相當(dāng) 困難。齒輪傳動瞬時單齒對嚙合的情況是齒輪受載9。由同類產(chǎn)品在工作中損壞的經(jīng)驗看， 太陽輪一行星輪嚙合是最容易發(fā)生故障的地方。太陽輪一行星輪之間的接觸應(yīng)力究竟有 多大也是我們最關(guān)心的問題，由于有行星架受力變形所帶來的影響，用傳統(tǒng)的計算方法 不能精確的計算出齒面接觸應(yīng)力。這就需要進(jìn)行有限元三維接觸分析。本文以風(fēng)力發(fā)電 機(jī)增速器第一級行

41、星輪系太陽輪與行星輪接觸為例，對太陽輪與一個行星輪嚙合進(jìn)行靜 力學(xué)分析。增速器的 部分參數(shù)如下表 2-3-1 所示，第一級行星輪系太陽輪與一個行星輪嚙合的三維模型如圖 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè) 22 2-3-1 所示。 圖 2-3-1 第一級行星輪系太陽輪與一個行星輪嚙合的三維模型 額定功率 1500kw 輸入轉(zhuǎn)速 24.78r/min 分度圓壓力角 20 第一級第二級 級數(shù) 行星輪數(shù)目（n=3） 第三級 輪系行星輪系行星輪系平行軸輪系 齒數(shù) z=15/27/69z=20/34/88z=68/33 模數(shù) 18145.5 傳動比 5.65.42.06 總傳動比 62.3 表 2-3-1 增速器的部分

42、參數(shù) 2.3.1 建立有限元模型 本文中的實體模型通過已經(jīng)在 solidworks 建立的裝配模型以 x.t 的格式導(dǎo)入進(jìn) ansys 的。由于通用轉(zhuǎn)換文件格式具有缺陷，必須對轉(zhuǎn)換后的模型進(jìn)行修復(fù)。同時根據(jù)齒 輪的特殊結(jié)構(gòu)，對齒輪裝配模型采用三維實體單元進(jìn)行單元劃分。其次，單元的選擇。 有 ansys 中有多種實體結(jié)構(gòu)單元可供選擇，如 solid45、solid95 等。solid45 單元用于 三維實體結(jié)構(gòu)模型.單元由 8 個節(jié)點結(jié)合而成，每個節(jié)點有 xyz3 個方向的自由度。該單 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè) 23 元具有塑性，蠕變，膨脹，應(yīng)力強(qiáng)化，大變形和大應(yīng)變的特征。可以獲得簡化的綜合的 微控

43、選項。類似的單元有適用于各向異性材料的 solid64 單元。solid45 單元的更高階單 元是 solid95。solid95 是比三維 8 節(jié)點 solid45 單元更高的單元類型，是在轉(zhuǎn)形 8 節(jié)點 solid45 的基礎(chǔ)上增加中間節(jié)點。它可以接受不規(guī)則的形狀，并且不損失精度。solid95 單元具有協(xié)調(diào)的位移函數(shù)并且能很好的模擬邊界曲線。solid95 單元通過 20 個節(jié)點來定 義，每個節(jié)點有 3 個自由度:轉(zhuǎn)化為節(jié)點坐標(biāo)系下的 x，y，z 方向，單元也可有任何的空 間定位。solid95 單元具有塑性，蠕變，應(yīng)力強(qiáng)化，大變形和大應(yīng)變等能力。然而，采用 高階單元要花費更多的計算資源

44、。對于齒輪接觸分析，由于齒面受力變形很小，采用 solid45 單元劃分網(wǎng)格就能得到精確的結(jié)果，而單元和節(jié)點數(shù)目比采用 solid95 單元劃分 網(wǎng)格少很多。此外，在模型單元的選擇上也要考慮既能滿足非線性接觸的大變形位移要 求，又要能適合模型的網(wǎng)格劃分要求。網(wǎng)格的劃分對有限元分析的計算量和準(zhǔn)確性影響 很大，一般網(wǎng)格劃分越小，計算精度越高，所需要的計算機(jī)資源、運(yùn)算時間也越多10。 網(wǎng)格化后節(jié)點總 39157 個，單元總數(shù)為一 134612 個，建立的有限元網(wǎng)格模型如圖 2-3-2 所示。 圖 2-3-2 有限元網(wǎng)格模型 2.3.2 建立接觸對 對于接觸分析必須認(rèn)識到模型在變形期間哪些地方可能發(fā)生

45、接觸，識別出潛在的接 觸面并通過目標(biāo)單元和接觸單元來定義它們。對于齒輪嚙合，兩齒輪相互接觸的齒面就 是一個接觸對。 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè) 24 太陽輪和行星齒輪齒面的三維接觸分析是柔體一柔體的面面接觸類型。輪齒在變形 區(qū)域哪些地方可能發(fā)生接觸，在己經(jīng)識別出潛在接觸面的基礎(chǔ)上，應(yīng)通過目標(biāo)單元和接 觸單元來定義它們，目標(biāo)單元和接觸單元跟蹤變形階段的運(yùn)動，構(gòu)成一個接觸對的目標(biāo) 單元和接觸單元通過共享的實常數(shù)聯(lián)系起來。對于大多數(shù)接觸問題，接觸向?qū)⑹且粋€ 構(gòu)造接觸對的簡單方法。使用接觸向?qū)Э梢宰詣佣x單元類型和實常數(shù)設(shè)置，快速得到 接觸選項和參數(shù)，有接觸對觀察工具，具有快速顯示和反轉(zhuǎn)接觸法向方向的功能

46、。 確定接觸面和目標(biāo)面的原則是: 如果凸面與平面或凹面接觸，平面或凹面應(yīng)該是目標(biāo)面; 如果一個表面網(wǎng)格粗糙，另一個表面網(wǎng)格較細(xì)，那么網(wǎng)格粗糙的表面因該是目標(biāo) 面; 如果一個表面比另一個表面剛度大，那么剛度大的表面因該是目標(biāo)面; 如果一個表面劃分為高次單元，而另一個表面劃分為低次單元，那么劃分為低次 單元的表面因該是目表面; 如果一個表面比另一個表面大，那么較大的表面應(yīng)該是目標(biāo)面。 對太陽輪和行星齒輪進(jìn)行分析，按照上述原則的第三條，根據(jù)太陽輪的表面剛度比 行星齒輪的表面剛度大，選擇太陽輪的齒面為目標(biāo)面，行星齒輪的齒面為接觸面。建立 了 1 對接觸對，如圖 2-3-3 所示，綠色的表示是目標(biāo)面，褐

47、色的表示是接觸面。 圖 2-3-3 齒輪接觸對 2.3.3 施加有限元模型的約束和載荷 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè) 25 現(xiàn)在可以按需要加上任邊界條件。加載過程與其它的分析類型相同。由圣維南原理: 物體表面某一小面積上作用的外力力系，如果被一個靜力等效的力系所替帶，那么物體 內(nèi)部只能導(dǎo)致局部應(yīng)力的改變。而在距離力的作用點較遠(yuǎn)處，其影響可以忽略不計。對 太陽輪一行星輪的齒面接觸分析，在不考慮行星架變形的情況下，可將行星輪內(nèi)孔節(jié)點 進(jìn)行徑向和軸向約束，釋放其切向的自由度，并且在行星輪與太陽輪接觸的齒面上施加 工作扭矩來模擬太陽輪和行星輪工作時的受力情況，這樣只是在施加載荷的局部應(yīng)力與 工作時所受的力不同

48、，在離加載點稍遠(yuǎn)的地方其受力狀況與工作時基本相同。由于 ansys 不能直接加載扭矩，因此我們要把扭矩?fù)Q算成相當(dāng)?shù)牧Γ虞d到節(jié)點上。具體方法是先 轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系到柱坐標(biāo)下，再將行星齒輪接觸面上節(jié)點的節(jié)點座標(biāo)旋轉(zhuǎn)到柱座標(biāo)下，再在 節(jié)點上施加 y 方向(柱座標(biāo) y 方向即切向)的力。集中力的大小由式(3-6)確定，集中力的 方向為逆時針方向。 （2-6） 01 s y n m f rnum 式中: :行星輪輪傳遞的轉(zhuǎn)矩(nm); s m 齒輪內(nèi)圈半徑(m); 01 r 齒面節(jié)點總數(shù)。 n num 對應(yīng)本例： 34377 s mn m 01 0.228rm 144 n num 即 01 34377 10

49、44.1 0.228 144 s y n m fn rnum 考慮到行星齒輪的實際安裝方式，所以對行星齒輪內(nèi)孔面的節(jié)點坐標(biāo)系采用圓柱坐 標(biāo)系，施加節(jié)點的軸向和徑向約束位移，對太陽輪進(jìn)行軸向約束和徑向約束，釋放其切 向自由度，施加約束和載荷的模型如圖 2-3-4 所示。 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè) 26 圖 2-3-4 施加約束和載荷的模型 2.3.4 選擇分析類型并設(shè)置分析選項 接觸問題的收斂性隨問題類型不同而有所差別。通常在大多數(shù)面一面的接觸分析中 應(yīng)使用的選項有:(1)激活自動時間步長選項，讓程序自動選擇足夠小的時間步長命令。 如果時間步長太大，則接觸力的光滑傳遞會被破壞，設(shè)置精確時間步長的可信

50、賴的方法 是打開自動時間步長。(2)使用修改的剛度陣命令。如果在迭代期何接觸狀態(tài)變化，結(jié)構(gòu) 可能發(fā)生不連續(xù)。為了避免收斂太慢，使用修改的剛度陣，將牛頓一拉普森選項設(shè)置成 full。不要使用自下降因子，對面一面接觸問題，自適應(yīng)下降因子通常不會提供任何幫 助，應(yīng)該關(guān)掉。(3)選擇合理的平衡迭代次數(shù)。一個合理的平衡迭代次數(shù)通常在 25 和 50 之間。(4)使用線性搜索命令。因為大的時間增量會使迭代趨向于變得不穩(wěn)定，使用線性 搜索選項來使計算穩(wěn)定化。(5)打開時間步長預(yù)測器選項命令。除非在大轉(zhuǎn)動和動態(tài)分析 中，否則均應(yīng)該打開。(6)選擇合適的接觸剛度。在接觸分析中許多不收斂問題是由于使 用了太大的接

51、觸剛度引起的，(實常數(shù) fkn)檢驗是否使用了合適的接觸剛度。 2.3.5 求解 當(dāng)前面所有的步驟都設(shè)置好后就可以對接觸問題進(jìn)行求解了，分析過程與一般的非 線性問題分析過程相同。另外非線性問題分析往往對硬件要求較高，有時由于設(shè)置不當(dāng) 造成求解不能收斂，因此需注意觀察 ansys 輸出窗口，如出現(xiàn)不收斂或錯誤提示應(yīng)中止 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè) 27 求解，檢察模型各種設(shè)置再重新進(jìn)行求解。 2.3.6 查看分析結(jié)果接觸分析的結(jié)果 查看分析結(jié)果接觸分析的結(jié)果主要包括位移、應(yīng)力、應(yīng)變，支反里和接觸信息(接觸 壓力、滑動等)可以在一般的后處理器(post1)或時間歷程后處理器(post26)中查看分析 結(jié)

52、果11。注意:(1)為了在 post1 中查看分析結(jié)果，數(shù)據(jù)庫文件所包含的模型必須與用于 求解的模型相同。(2)數(shù)據(jù)庫內(nèi)必須存在結(jié)果文件。 (1post1 后處理接觸問題的 post1 后處理過程與其他類型的后處理過程大致相同，都是在保持分析結(jié)果可靠的基礎(chǔ)上查看 各個參數(shù)的變化。具體的 post1 后處理過程大致如下: 1)檢驗分析是否收斂，保證分析結(jié)果可靠。如果不收斂，應(yīng)分析為什么不收斂，重 新回到前處理或者求解設(shè)置部分，找出原因重新計算。如果己經(jīng)收斂，繼續(xù)后處理，進(jìn) 入 post1。如果模型不在當(dāng)前的數(shù)據(jù)庫中，使用恢復(fù)命令(resume)來恢復(fù)它。 2)讀入所期望的載荷步和子步的結(jié)果。 3

53、)顯示變形后形狀和各方向上的位移，如圖 2-3-5 和 2-3-6 所示。觀察分析結(jié)果得 到最大位移是 0.242mm，滿足設(shè)計要求。 圖 2-3-5 變形后的形狀 4)顯示參數(shù)等值線圖，如圖 2-3-6。從結(jié)果中得出最大應(yīng)力為 990mpa。 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè) 28 圖 2-3-6 太陽輪一行星輪嚙合的綜合應(yīng)力等值線圖 5)顯示單元列表數(shù)據(jù)。在需要時可以顯示單元列表數(shù)據(jù)，限于篇輻，這里不給出單 元列表數(shù)據(jù)。 6)列表顯示結(jié)果數(shù)據(jù)?？梢栽诤筇幚沓绦蚶锪斜盹@示結(jié)果數(shù)據(jù)，生成結(jié)果報表。 7)顯示接觸動畫。在后處理程序中可以顯示接觸動畫。觀看齒輪嚙合時應(yīng)力應(yīng)變由 小到大的過程，以對齒輪嚙合過程有

54、更直觀的認(rèn)識3。 對結(jié)果進(jìn)行分析主要是對太陽輪與行星輪外嚙合接觸強(qiáng)度及彎曲強(qiáng)度校核： 太陽輪和行星輪的材料選用 20crmnti，滲碳淬火，齒面硬度 5660hrc， 查閱手冊，選取=1500mpa， =480mpa limh limf 輸入軸轉(zhuǎn)矩 t=955op/n=578087nm，n=24.78rpm 太陽輪受到轉(zhuǎn)矩: 1 578087 103230 5.6 t tn m i 行星輪轉(zhuǎn)矩: 1 2 103230 34377 33 t tn m 齒面接觸疲勞強(qiáng)度: h 2.063 a v kk k k k 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè) 29 2 1 1374 t hhe kfu z z zmpa

55、bdu 式中: 節(jié)點區(qū)域系數(shù); h z 材料彈性系數(shù)(); e z mpa 接觸強(qiáng)度的重合度與螺旋角系數(shù); z 分度圓上的名義切向力(n); t f 齒輪齒寬(mm); b 太陽輪分度圓直徑(mm); 2 d 齒輪比; u 使用系數(shù); a k 動載系數(shù); v k 接觸強(qiáng)度的齒向載荷分布系數(shù); k 接觸強(qiáng)度的齒間載荷分布系數(shù)。 k 在有限元中計算出的最大應(yīng)力值為 990 ，按赫茲公式計算的理論最大應(yīng)力值為 mpa 1374，計算結(jié)果滿足材料的許用接觸應(yīng)力要求。 mpa 計算機(jī)仿真技術(shù)大作業(yè) 30 3 總結(jié)與展望 3.1 工作總結(jié) 現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已日趨成熟，,市場正逐步擴(kuò)大。盡管風(fēng)力發(fā)電量占全球

56、總發(fā)電量 的比例還較輕，但已發(fā)展成為增長最快的新能源之一，并具備了與常規(guī)能源競爭的一定 能力。我國改革開放以來，電力發(fā)展一直保持著高速增長的勢頭。目前，風(fēng)力發(fā)電的強(qiáng) 大生命力己逐步顯露出來。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的各個組成部分中，增速器齒輪箱是故障率 最高的部件之一，它也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計的主要瓶頸。目前，國產(chǎn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱 的故障主要集中在齒輪箱工作壽命達(dá)不到設(shè)計要求。其中齒輪失效是齒輪箱發(fā)生故障的 主要原因。因此，在設(shè)計階段對齒輪進(jìn)行接觸分析和模態(tài)分析對提高設(shè)計質(zhì)量，減少設(shè) 計錯誤優(yōu)化模型和加速產(chǎn)品的開發(fā)周期有重要的意義12。 本文通過對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動系統(tǒng)的分析和研究，根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對風(fēng)力發(fā) 電機(jī)組核心部件增速箱在 solidworks 環(huán)