基于UG的二級減速器建模及有限元分析優(yōu)化.doc

機械制造及其自動化08-2班 楊超目錄第一章 設(shè)計題目：運輸機的傳動裝置11、減速器基本參數(shù)的確定1第二章 CAD實體建模62.1 UG軟件概述62.2 部件建模62.2.1 齒輪軸建模62.2.2軸的建模92.3 裝配9第三章 利用UG進行運動仿真113.1創(chuàng)建模型：113.2 輸出結(jié)果113.3 結(jié)論12第四章 利用UG NX6.0進行有限元分析與優(yōu)化124.1 UG/CAE124.2 有限元分析124.3 結(jié)論154.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化154.5結(jié)果與小結(jié)164.3 結(jié)論16總結(jié)17參考文獻17設(shè)計題目：運輸機的傳動裝置1 . 帶式運輸機的工作原理（二級展開式圓柱齒輪減速器帶式運輸機的傳動示意圖）2.工作情況：已知條件1) 工作條件：兩班制，連續(xù)單向運轉(zhuǎn)，載荷較平穩(wěn)，室內(nèi)工作，有灰塵，環(huán)境最高溫度35；2) 使用折舊期；8年；3) 檢修間隔期：四年一次大修，兩年一次中修，半年一次小修；4) 動力來源：電力，三相交流電，電壓380/220V；5) 運輸帶速度容許誤差：5%；6) 制造條件及生產(chǎn)批量：一般機械廠制造，小批量生產(chǎn)。3.原始數(shù)據(jù)題號參數(shù)輸機工作軸轉(zhuǎn)矩T/(N.m)690運輸帶工作速度v/(m/s)0.8卷筒直徑D/mm32017一、減速器基本參數(shù)的確定1.動力機選擇：電動機型號額定功率/KW滿載轉(zhuǎn)速r/min堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩質(zhì)量/NY132M2-65.59602.02.0842.計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)項 目電動機軸高速軸I中間軸II低速軸III卷筒轉(zhuǎn)速（r/min）960960286120120功率（kW）5.54.744.604.474.38轉(zhuǎn)矩（Nm）50.2650.26220.34690690傳動比115.293.681效率10.980.980.980.983.齒輪參數(shù) 高速齒輪模數(shù)分度圓直徑齒寬齒數(shù)小齒輪2687534大齒輪21786589低速齒輪模數(shù)分度圓直徑齒寬齒數(shù)小齒輪2.5859534大齒輪2.5260851044. 各軸參數(shù)4.1 高速軸設(shè)計如圖所示1096157389445342401073292。5120364.2 中間軸設(shè)計如圖所示4560494514619349.562.5 4.2 輸出軸設(shè)計如圖所示820.56575859880751057537136135.576.55.箱體結(jié)構(gòu)的設(shè)計減速器的箱體采用鑄造（HT200）制成，采用剖分式結(jié)構(gòu)為了保證齒輪佳合質(zhì)量，大端蓋分機體采用配合.1. 機體有足夠的剛度在機體為加肋，外輪廓為長方形，增強了軸承座剛度2. 考慮到機體內(nèi)零件的潤滑，密封散熱。因其傳動件速度小于12m/s，故采用侵油潤油，同時為了避免油攪得沉渣濺起，齒頂?shù)接统氐酌娴木嚯xH大于40mm為保證機蓋與機座連接處密封，聯(lián)接凸緣應(yīng)有足夠的寬度，聯(lián)接表面應(yīng)精創(chuàng)，其表面粗糙度為3. 機體結(jié)構(gòu)有良好的工藝性.鑄件壁厚為10mm，圓角半徑為R=5。機體外型簡單，拔模方便.4. 對附件設(shè)計 A 視孔蓋和窺視孔在機蓋頂部開有窺視孔，能看到 傳動零件齒合區(qū)的位置，并有足夠的空間，以便于能伸入進行操作，窺視孔有蓋板，機體上開窺視孔與凸緣一塊，有便于機械加工出支承蓋板的表面并用墊片加強密封，蓋板用鑄鐵制成，用M8緊固B 油螺塞：放油孔位于油池最底處，并安排在減速器不與其他部件靠近的一側(cè)，以便放油，放油孔用螺塞堵住，因此油孔處的機體外壁應(yīng)凸起一塊，由機械加工成螺塞頭部的支承面，并加封油圈加以密封。C 油標(biāo)：油標(biāo)位在便于觀察減速器油面及油面穩(wěn)定之處。油尺安置的部位不能太低，以防油進入油尺座孔而溢出.D 通氣孔：由于減速器運轉(zhuǎn)時，機體內(nèi)溫度升高，氣壓增大，為便于排氣，在機蓋頂部的窺視孔改上安裝通氣器，以便達到體內(nèi)為壓力平衡.E 位銷：為保證剖分式機體的軸承座孔的加工及裝配精度，在機體聯(lián)結(jié)凸緣的長度方向各安裝一圓錐定位銷，以提高定位精度.6.減速器機體結(jié)構(gòu)尺寸如下：名稱符號減速器型式及尺寸關(guān)系/mm箱座壁厚10箱蓋壁厚10箱蓋凸緣厚度15箱座凸緣厚度15箱座底凸緣厚度25地腳螺釘直徑20地腳螺釘數(shù)目4軸承旁聯(lián)接螺栓直徑16機蓋與座聯(lián)接螺栓直徑12聯(lián)接螺栓的間距180軸承端蓋螺栓直徑8視孔蓋螺釘直徑6定位銷直徑9、到外箱壁距離26、22、18、至凸緣邊緣距離24、16外箱壁至軸承座端面距離40大齒輪頂圓與內(nèi)箱壁距離12齒輪端面與內(nèi)箱壁距離12箱蓋、箱座肋厚、；軸承端蓋外徑軸承端蓋凸緣厚度9軸承旁聯(lián)接螺栓距離第二章 CAD實體建模2.1 UG軟件概述UG是一個優(yōu)秀的CAD/CAE/CAM一體化高端軟件，他基于完全的三維實體復(fù)合造型、特征建模、裝配建模技術(shù)，能設(shè)計出任意復(fù)雜的產(chǎn)品模型，再加上技術(shù)上處于領(lǐng)先地位的CAM模塊、內(nèi)嵌的CAE模塊，使CAD、CAE、CAM有機集成，可以使產(chǎn)品的設(shè)計、分析和制造一次性完成。它使當(dāng)今最先進的計算機輔助設(shè)計、分析、制造軟件，廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、造船、通用機械和電子等工業(yè)領(lǐng)域。2.2 部件建模 2.2.1 齒輪軸建模1.端面漸開線曲線的具體繪制步驟如下：(1)選擇工具表達式命令，彈出“表達式”對話框，輸入表達式如下：t=0 /UG定義的變量m=2.0 /齒輪模數(shù)z=34 /齒輪齒數(shù)alpha=20 /齒頂圓壓力角qita=90*t /滾動角角度值b=75 /齒寬da=(z+2)*m /da齒頂圓直徑db=m*z*cos(alpha) /db 基圓直徑df=(z-2.5)*m /df齒根圓直徑s=3.14*db*t/4 /滾動角弧度值xt=db*cos(qita)/2+s*sin(qita) /直角坐標(biāo)橫坐標(biāo)yt=db*sin(qita)/2-s*cos(qita) /直角坐標(biāo)縱坐標(biāo)zt=0 /直角坐標(biāo)Z坐標(biāo)d=mz /分度圓直徑2. 選擇插入-曲線-規(guī)律曲線命令，彈出“規(guī)律曲線”對話框；首先選擇By Equation；其次提示行提示輸入?yún)?shù)表達式，按系統(tǒng)默認(rèn)值t,點擊ok；之后又彈出x表達式輸入對話框，按系統(tǒng)默認(rèn)值xt點擊ok。至此x已定義好。Y的定義與其相同，只是表達式為yt。zt定義為常數(shù)0；生成漸開線如圖2-1所示：圖2-1 漸開線曲線 3.選擇插入-曲線-基本曲線命令，或者單擊曲線工具條上的“基本曲線”命令，彈出“基本曲線”對話框，以坐標(biāo)原點為中心，分別以da+1，d，df繪制曲線，如圖2-2所示：圖2-2 齒根圓、分度圓、齒頂圓 4. 繪制一條直線，第一點位于漸開線與分度圓的交點，第二點位于坐標(biāo)原點上。 5. 選擇編輯-變換命令，將上一步繪制的直線繞z軸旋轉(zhuǎn)j度。 6. 選擇編輯-變換命令，將漸開線關(guān)于剛才繪制的直線鏡像復(fù)制。7. 補全曲線，修剪曲線，隱藏倆條輔助直線，結(jié)果如圖2-3所示： 圖2-3 齒槽8.點擊工具欄上的“圓柱體”圖標(biāo)，系統(tǒng)彈出“圓柱體”對話框，以da為直徑，b為高度繪制圓柱體，結(jié)果如圖2-4所示：圖2-4 繪制圓柱體 9. 單擊成型特征工具條上的“拉伸”按鈕，系統(tǒng)彈出“拉伸”對話框。選取前面繪制的齒槽截面，設(shè)置參數(shù)，單擊確定按鈕，則生成單個齒槽。 10. 選擇插入-關(guān)聯(lián)復(fù)制-實例命令，系統(tǒng)彈出“實例”對話框，單擊“環(huán)形陣列”按鈕，系統(tǒng)又彈出對話框，提示選取環(huán)形陣列對話框。選取剛才創(chuàng)建的齒槽，設(shè)置陣列參數(shù)，單擊“確定”按鈕，系統(tǒng)彈出對話框，要求指定環(huán)形陣列中心線，懸著z軸為環(huán)形陣列中心線，單擊確定按鈕則生成齒槽，結(jié)果如圖2-5所示：圖2-5 齒輪生成2.2.2軸的建模利用草圖和拉伸等命令對齒輪軸進行創(chuàng)建，結(jié)果如圖2-6所示：圖2-6 齒輪軸生成12.其他部件的建立與上面的相似，將建好的零件分別保存進入裝配環(huán)節(jié)。2.3 裝配進入建模環(huán)境，打開裝配，調(diào)入主部件下箱體，結(jié)果如圖2-3所示：圖2-3 建立主部件將軸承、端蓋以及端蓋墊圈和下箱體配對，配合方式為中心（圓柱-圓柱）、距離（平面-平面），結(jié)果如圖2-31所示：圖2-31 箱體、軸承及端蓋的裝配分別將軸和齒輪裝配作為子部件與箱體進行裝配，結(jié)果如圖2-32所示：圖2-32 軸、齒輪與箱體的裝配將上箱體及其他標(biāo)準(zhǔn)件進行裝配，結(jié)果如圖2-33所示：圖2-33 總裝配第三章 利用UG進行運動仿真3.1創(chuàng)建模型分別將機座三根軸三個齒輪裝配起來如圖3-1所示圖3-1進入運動仿真模塊，新建仿真。分別對7個部件進行連桿定義。將齒輪與連桿之間添加固定約束。將3根軸分別與機座之間添加旋轉(zhuǎn)副。在高速軸上的旋轉(zhuǎn)副上添加速度如圖3-2所示圖3-23.2輸出結(jié)果通過解決方案設(shè)置后，對其進行求解。結(jié)果高速軸轉(zhuǎn)速和輸出軸轉(zhuǎn)速結(jié)果如圖3-3和圖3-4所示：圖3-2高速齒輪軸轉(zhuǎn)速圖3-2輸出齒輪軸轉(zhuǎn)速3.3結(jié)論通過輸出結(jié)果可以知道：高速齒輪軸每秒轉(zhuǎn)過5760，由于剛性震動的影響輸出軸的轉(zhuǎn)速每秒在720左右震動，可以滿足給定的條件。第四章 利用UG NX6.0進行有限元分析4.1 UG/CAEUG將世界上最成功的CAE應(yīng)用技術(shù)融匯到自己的系統(tǒng)中來，形成了功能強大的分析模塊。UG/有限元分析（UG/Scenario for FEA）該模塊是一個集成的、相關(guān)的、直觀的CAE工具，它能快捷地對UG的零件和裝配部件進行前、后處理。該產(chǎn)品作為設(shè)計過程的一個集成部分，用于評估各種設(shè)計更改方案或“Scenario”的性能。這種分析結(jié)果是一個工程預(yù)測的過程，它可以優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短產(chǎn)品上市的時間。用于有限元分析的UG/Scenario for FEA提供了將幾何模型轉(zhuǎn)換為有限元模型以及圖形化評估分析結(jié)果的能力。一個可選的集成的求解器UG/FEA，可以進行線性靜力分析、模態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)熱分析。4.2有限元分析 將高速齒輪軸導(dǎo)入UG當(dāng)中,結(jié)果如圖4-1所示：圖4-1 高速齒輪軸進入高級仿真模塊，進入仿真導(dǎo)航器，新建FEM文件和仿真文件結(jié)果圖4-2所示：圖4-2 創(chuàng)建仿真文件進行3D四面體網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖4-3所示：圖4-3 劃分網(wǎng)格 完成以后，點擊3DSCOILD工具框，然后點擊右鍵，即可以進入材料庫，然后選擇13，即定義材料類型為45#鋼結(jié)構(gòu)，然后對實體進行約束，對齒輪固定約束對，對軸兩端的兩個軸端分別用銷釘進行約束，所有的約束都以及給定，添加載荷類型為扭矩，扭矩大小為690 N.m。結(jié)果如圖4-4所示：圖4-4 添加約束 完成以后，就可以進行求解運算啦，點擊求解工具框，然后彈出一個對話框，點擊確定就開始算啦！當(dāng)作業(yè)完成以后，點擊RESULT工具框，就會出現(xiàn)結(jié)果，結(jié)果如下圖4-8所示：位移節(jié)點圖如圖4-8所示：圖4-8 應(yīng)變圖最大變形量為0.0131mm應(yīng)力-單元節(jié)點如圖4-9所示：圖4-9 應(yīng)力圖最大應(yīng)力為51.46MP4.3 結(jié)論 有限元分析部分：由有限元分析可以知道輸入軸的最大應(yīng)變位移為：0.0131mm，最大應(yīng)力為：51.46MP，完全可以滿足給定強度下的工作，為了降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益，可以對軸進行優(yōu)化設(shè)計，使其更加合理高效4.4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化進入仿真導(dǎo)航器對高速軸進行優(yōu)化如圖4-10所示圖4-10結(jié)構(gòu)優(yōu)化進入優(yōu)化設(shè)置,分別對目標(biāo)、約束、設(shè)計變量進行定義。在同樣接觸力的作用下，使齒輪的最大單元節(jié)點應(yīng)力不超過材料的許用應(yīng)力而且零件的體積（重量）要盡量小。優(yōu)化設(shè)置：如圖4-11所示（1）、 定義目標(biāo)：單齒的重量最小化；（2）、定義約束：單元節(jié)點應(yīng)力上限225MPa。（3）、 定義設(shè)計變量：齒寬尺寸設(shè)定為5078間；（4）、最大迭代次數(shù)為10。圖4-11優(yōu)化設(shè)置由于高速齒輪軸的材料已經(jīng)是45#鋼，所以材料不可以改變，為了節(jié)省材料，降低成本可以對齒輪模數(shù)和齒寬進行優(yōu)化，為了節(jié)省時間我在保證應(yīng)力小于鋼的許用應(yīng)力的條件下對齒輪的齒寬進行優(yōu)化同時保證高速齒輪軸重量最小化。經(jīng)過一段時間的優(yōu)化處理結(jié)果如圖4-11和圖4-12所示圖4-11 高速齒輪軸的重量圖4-11高速齒輪軸齒輪寬度4.5結(jié)果與小結(jié)1）漸開線齒輪動態(tài)嚙合力的計算機仿真分析方法可以準(zhǔn)確地計算齒輪傳動過程中的動態(tài)接觸力，為進一步進行強度、剛度和疲勞分析提供了依據(jù)。2）利用有限元分析模塊對減速器高速齒輪軸進行靜力學(xué)分析，仿真結(jié)果為減速器的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了計算依據(jù)，并進一步對高速軸結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化，通過圖像可以看出高速齒輪軸的質(zhì)量有所下降，齒寬由原來的75mm變?yōu)楝F(xiàn)在的51mm，由于齒輪的應(yīng)力還沒有達到許用應(yīng)力，齒寬還可以減小，為了節(jié)省時間區(qū)目前的優(yōu)化結(jié)果設(shè)定為高速齒輪軸的最終結(jié)果。以減輕重量，降低設(shè)計開發(fā)成本。3）上述分析結(jié)論有重要的參考價值，對于齒輪的傳動設(shè)計有著重要的意義。課程設(shè)計總結(jié)將近十天的三維CAD課程設(shè)計時間一晃而過，由于之前對UG建模部分學(xué)的還不錯，所以建模部分三天就全部完成了，但是由于對后來的運動仿真和有限元分析及優(yōu)化部分學(xué)習(xí)的還不夠透徹，結(jié)果還是出現(xiàn)了很多的問題，但是在指導(dǎo)老師的細(xì)心幫助和支持下，問題都得到了解決。衷心的感謝老師的指導(dǎo)和幫助如今打開自己設(shè)計好的模型，看著自己的作品心里卻充滿著收獲的喜悅，畢竟一周的努力沒有白費，這正印證了那句耳熟能詳?shù)脑挘阂环莞?，一份收獲。有付出，總會有收獲的。經(jīng)過這次課程設(shè)計，我的三維造型能力得到很大的提高。在這個二級減速器造型設(shè)計過程中，我以前的UG制圖知識得到了進一步的鞏固，還知道了許多的技巧。例如，齒輪的漸開線的畫法及齒輪的參數(shù)化建模。 我還有一個收獲就是學(xué)會了查資料來解決問題，我本來不知道斜齒輪是怎么建模的，于是我到圖書館找了幾本書回來看，最后，我才懂得用參數(shù)化的方法來畫直齒輪。最后我還把自己收集的材料整理了起來，把齒輪的參數(shù)導(dǎo)了出來為以后課程設(shè)計及工作做準(zhǔn)備所以