工程結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真設(shè)計

1、安徽理工大學(xué)課程設(shè)計說明書課程設(shè)計說明書齒輪模態(tài)的有限元分析學(xué)院（部）： 理學(xué)院 專業(yè)班級： 工程結(jié)構(gòu)分析 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 趙麗霞講師 2015年 12 月 27 日安 徽 理 工 大 學(xué)課 程 設(shè) 計 成 績 評 定1、專業(yè)班級： 工程結(jié)構(gòu)分析 2、姓 名： 3、完成日期： 2015年12月27日 4、設(shè)計題目： 齒輪模態(tài)的有限元分析 5、成績評定：成績評定標(biāo)準(zhǔn)所占分值各項得分學(xué)生工作態(tài)度及與團(tuán)隊協(xié)作能力25學(xué)生掌握相關(guān)基礎(chǔ)理論及設(shè)計軟件的程度25學(xué)生模型建立的合理性及結(jié)果的精確性25課程設(shè)計說明書編寫的規(guī)范性及語言的流暢性25總成績6、指導(dǎo)教師： 日期： 年 月 日目錄摘 要2 1

2、緒論51.1 背景及意義51.2 結(jié)構(gòu)介紹52理論及公式62.1有限元模態(tài)分析理論62.2 計算公式63有限元分析73.1齒輪建模73.2齒輪邊界約束73.3齒輪網(wǎng)格劃分73.4有限元結(jié)果分析84結(jié)論與展望10摘 要為了研究齒輪固有頻率的影響因素，改善齒輪的動態(tài)特性，利用有限元軟件ABAQUS和振動理論對齒輪進(jìn)行模態(tài)分析，為齒輪動態(tài)優(yōu)化設(shè)計提供可靠的參考依據(jù)。結(jié)果表明：第16階，齒輪的振型主要是彎曲振動和扭轉(zhuǎn)振動。減速器是原動機(jī)和工作機(jī)之間的一個獨立閉式傳動裝置，用來降低轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩，在工作過程中，減速器中的齒輪可能會由于機(jī)械振動而發(fā)出噪音，這樣可能會降低齒輪的嚙合精度和傳遞效率，從而影響減

3、速器的使用壽命。模態(tài)分析可以確定零件的固有頻率和振型，使設(shè)計師在設(shè)計零件的時候，盡量使系統(tǒng)的工作頻率和固有頻率偏差較大，以防止共振，從而減少振動和噪音。模態(tài)分析的最終目標(biāo)是識別系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為系統(tǒng)的振動特性分析、振動故障診斷和預(yù)報以及結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)，是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計及故障診斷的重要方法。本文利用有限元軟件ABAQUS，對減速器中的齒輪進(jìn)行模態(tài)分析，來確定不同階數(shù)下齒輪的固有頻率和振型，來分析齒輪固有頻率的變化趨勢，從而為齒輪大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考依據(jù)，避免齒輪在工作時候發(fā)生共振，從而減少噪音。ABAQUS 是一套功能強(qiáng)大的工程模擬的有限元軟件，其解決問題的范圍從相對簡單

4、的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題。 ABAQUS 包括一個豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫。并擁有各種類型的材料模型庫，可以模擬典型工程材料的性能，其中包括金屬、橡膠、高分子材料、復(fù)合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫材料以及土壤和巖石等地質(zhì)材料，作為通用的模擬工具， ABAQUS 除了能解決大量結(jié)構(gòu)(應(yīng)力 / 位移)問題，還可以模擬其他工程領(lǐng)域的許多問題，例如熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴(kuò)散、熱電耦合分析等。1緒論1.1 背景及意義齒輪是一種機(jī)械傳動裝置，輪緣上有齒能連續(xù)嚙合傳遞運動和動力的機(jī)械元件。齒輪在傳動中的應(yīng)用很早就出現(xiàn)了。19世紀(jì)末，展成切齒法的原理及利用此原理切齒的專用機(jī)床與刀具的相繼出現(xiàn)，隨

5、著生產(chǎn)的發(fā)展，齒輪運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性受到重視。它在機(jī)械傳動及整個機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用極其廣泛?，F(xiàn)代齒輪技術(shù)已達(dá)到：齒輪模數(shù)0.004100毫米；齒輪直徑由1毫米150米；傳遞功率可達(dá)上十萬千瓦；轉(zhuǎn)速可達(dá)幾十萬轉(zhuǎn)/分；最高的圓周速度達(dá)300米/秒。中國齒輪制造業(yè)與發(fā)達(dá)國家相比還存在自主創(chuàng)新能力不足、新品開發(fā)慢、市場競爭無序、企業(yè)管理薄弱、信息化程度低、從業(yè)人員綜合素質(zhì)有待提高等問題?，F(xiàn)階段齒輪行業(yè)應(yīng)通過市場競爭與整合，提高行業(yè)集中度，形成一批擁有幾十億元、5億元、1億元資產(chǎn)的大、中、小規(guī)模企業(yè)；通過自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)，形成一批車輛傳動系（變速箱、驅(qū)動橋總成）牽頭企業(yè)，用牽頭企業(yè)的配套能力整合齒輪行業(yè)

6、的能力與資源；實現(xiàn)專業(yè)化、網(wǎng)絡(luò)化配套，形成大批有特色的工藝、有特色的產(chǎn)品和有快速反應(yīng)能力的名牌企業(yè)；通過技改，實現(xiàn)現(xiàn)代化齒輪制造企業(yè)轉(zhuǎn)型。 背景 背景21.2 結(jié)構(gòu)介紹某減速器有一個標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，齒輪的齒數(shù)為20，模數(shù)為4mm，壓力角為，齒寬為20mm，按照標(biāo)準(zhǔn)中心距裝配，齒輪的材料為鋼，彈性模量為，泊松比為0.3，密度為。 圖1-1 計算模型2理論及公式2.1有限元模態(tài)分析理論對于一般的多自由度結(jié)構(gòu)系統(tǒng)而言，運動都可以由其自由振動的模態(tài)來合成。有限元的模態(tài)分析就是建立模態(tài)模型進(jìn)行數(shù)值分析的過程。由于結(jié)構(gòu)的阻尼對其模態(tài)頻率及振型的影響很小，所以模態(tài)分析的實質(zhì)就是求解具有限個自由度的無阻尼及

7、無載荷狀態(tài)下得運動方程的模態(tài)適量。2.2 計算公式系統(tǒng)的無阻尼多自由度的自由振動系統(tǒng)方程為： （2-1） 式中質(zhì)量矩陣和剛度矩陣均為nxn階方陣，位移列陣為nx1階列陣。把上式寫成位移向量的形式為： （2-2）應(yīng)用線性變換式，可以對集合位置坐標(biāo)表示的耦合系統(tǒng)微分方程組解耦。因此，振型在坐標(biāo)變換和解耦系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。為了得到振型的矩陣，必須求得系統(tǒng)的特征值和特征向量，即系統(tǒng)的固有頻率和振型向量。為此，假定系統(tǒng)的振動是由頻率的簡諧振動組成，設(shè)為的位移幅值和振幅列陣或振幅向量，為初相位，則系統(tǒng)運動方程是的形式為： （2-3）對其求導(dǎo)為： （2-4）消去因子，整理的系統(tǒng)的特征矩陣方程為： （2

8、-5）為滿足上面的矩陣方程，必須使括號中的矩陣行列式等于零，這就是特征方程式: （2-6）3有限元分析3.1齒輪建模根據(jù)減速器的輸出功率要求，得齒輪的參數(shù)為：齒數(shù)z=20，模數(shù)m=4，齒形角a=20°，齒厚d =20，齒輪的其他參數(shù)通過計算和工具書獲得，利用軟件ABAQUS建模并進(jìn)行模態(tài)分析。3.2齒輪邊界約束對齒輪進(jìn)行模態(tài)分析的主要目的是獲得齒輪不同階下的固有頻率和振型，因而不需要對齒輪進(jìn)行加載，只需要對其自由度進(jìn)行約束，根據(jù)齒輪的工作條件，對齒輪進(jìn)行約束，選取齒輪的內(nèi)表面作為約束對象，對齒輪的內(nèi)圓柱面和鍵槽面x，y和z方向的平動位移進(jìn)行約束，由于模態(tài)分析低階頻率對于動的影響遠(yuǎn)大于

9、高階頻率，故取齒輪模態(tài)分析前6階的固有頻率和振型。3.3齒輪網(wǎng)格劃分對齒輪進(jìn)行網(wǎng)格劃分，幾何次數(shù)選擇線性攝動，選取單元類型為四面體單元C3D4。 圖3-1網(wǎng)格劃分3.4有限元結(jié)果分析齒輪的低階振型主要為扭轉(zhuǎn)振動和彎曲振動，階數(shù)越高，振動位移越大，振型圖可以看出齒輪的薄弱環(huán)節(jié)，從而可以進(jìn)行齒輪優(yōu)化，為設(shè)計者提供參考依據(jù)。 圖3-2一階振型圖圖3-3 二階振型圖圖3-4四階振型圖圖3-5六階振型圖4結(jié)論與展望這兩周的課程設(shè)計不僅檢驗了我所學(xué)習(xí)的知識，同時也讓我知道在面對一個具體問題的時候該從何處下手，問題求解的大體方向又該如何去思考，如何將所學(xué)知識應(yīng)用到具體問題當(dāng)中。這個過程讓

10、我所獲頗多。在具體的設(shè)計過程中，與同學(xué)分工設(shè)計，和同學(xué)們相互探討，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督。這讓我學(xué)會了面對問題的整體把握思想，學(xué)會了如何于同學(xué)完美合作，學(xué)會了寬容、理解，也學(xué)會了如何做人與處世。課程設(shè)計是我們專業(yè)課程知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)練，著是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程?！鼻Ю镏惺加谧阆隆保ㄟ^這次課程設(shè)計，我深深體會到這句千古名言的真正含義我今天認(rèn)真的進(jìn)行課程設(shè)計，學(xué)會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎(chǔ)。在這次設(shè)計過程中，體現(xiàn)出自己單獨設(shè)計分析的能力以及綜合運用知識的能力，體會了學(xué)以致用、突出自己勞動成果的喜悅心情，從中發(fā)現(xiàn)自己平時學(xué)習(xí)的不足和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補(bǔ)。在此感謝我們指導(dǎo)老師.，老師嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)