工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真設(shè)計(jì)

1、安徽理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書課程設(shè)計(jì)說(shuō)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(jí)： 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(jì) 成 績(jī) 評(píng) 定1、專業(yè)班級(jí)： 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(jì)題目： 齒輪模態(tài)的有限元分析 5、成績(jī)?cè)u(píng)定：成績(jī)?cè)u(píng)定標(biāo)準(zhǔn)所占分值各項(xiàng)得分學(xué)生工作態(tài)度及與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力25學(xué)生掌握相關(guān)基礎(chǔ)理論及設(shè)計(jì)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(jì)說(shuō)明書編寫的規(guī)范性及語(yǔ)言的流暢性25總成績(jī)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(jì)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(dòng)態(tài)特性，利用有限元軟件ABAQUS和振動(dòng)理論對(duì)齒輪進(jìn)行模態(tài)分析，為齒輪動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。減速器是原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)之間的一個(gè)獨(dú)立閉式傳動(dòng)裝置，用來(lái)降低轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩，在工作過(guò)程中，減速器中的齒輪可能會(huì)由于機(jī)械振動(dòng)而發(fā)出噪音，這樣可能會(huì)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(jì)師在設(shè)計(jì)零件的時(shí)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(dòng)和噪音。模態(tài)分析的最終目標(biāo)是識(shí)別系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及故障診斷的重要方法。本文利用有限元軟件ABAQUS，對(duì)減速器中的齒輪進(jìn)行模態(tài)分析，來(lái)確定不同階數(shù)下齒輪的固有頻率和振型，來(lái)分析齒輪固有頻率的變化趨勢(shì)，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(shí)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(wèn)題的范圍從相對(duì)簡(jiǎn)單

4、的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問(wèn)題。 ABAQUS 包括一個(gè)豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫(kù)。并擁有各種類型的材料模型庫(kù)，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(wèn)題，還可以模擬其他工程領(lǐng)域的許多問(wèn)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(dòng)裝置，輪緣上有齒能連續(xù)嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的機(jī)械元件。齒輪在傳動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性受到重視。它在機(jī)械傳動(dòng)及整個(gè)機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用極其廣泛。現(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(wàn)千瓦；轉(zhuǎn)速可達(dá)幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)/分；最高的圓周速度達(dá)300米/秒。中國(guó)齒輪制造業(yè)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在自主創(chuàng)新能力不足、新品開發(fā)慢、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)無(wú)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(wèn)題?，F(xiàn)階段齒輪行業(yè)應(yīng)通過(guò)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(guò)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)，形成一批車輛傳動(dòng)系（變速箱、驅(qū)動(dòng)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(shí)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(guò)技改，實(shí)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(gè)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(jì)算模型2理論及公式2.1有限元模態(tài)分析理論對(duì)于一般的多自由度結(jié)構(gòu)系統(tǒng)而言，運(yùn)動(dòng)都可以由其自由振動(dòng)的模態(tài)來(lái)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(guò)程。由于結(jié)構(gòu)的阻尼對(duì)其模態(tài)頻率及振型的影響很小，所以模態(tài)分析的實(shí)質(zhì)就是求解具有限個(gè)自由度的無(wú)阻尼及

7、無(wú)載荷狀態(tài)下得運(yùn)動(dòng)方程的模態(tài)適量。2.2 計(jì)算公式系統(tǒng)的無(wú)阻尼多自由度的自由振動(dòng)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(duì)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(dòng)是由頻率的簡(jiǎn)諧振動(dòng)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(yùn)動(dòng)方程是的形式為： （2-3）對(duì)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(hào)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(guò)計(jì)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(duì)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(duì)齒輪進(jìn)行加載，只需要對(duì)其自由度進(jìn)行約束，根據(jù)齒輪的工作條件，對(duì)齒輪進(jìn)行約束，選取齒輪的內(nèi)表面作為約束對(duì)象，對(duì)齒輪的內(nèi)圓柱面和鍵槽面x，y和z方向的平動(dòng)位移進(jìn)行約束，由于模態(tài)分析低階頻率對(duì)于動(dòng)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(duì)齒輪進(jìn)行網(wǎng)格劃分，幾何次數(shù)選擇線性攝動(dòng)，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(dòng)和彎曲振動(dòng)，階數(shù)越高，振動(dòng)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(jì)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(jì)不僅檢驗(yàn)了我所學(xué)習(xí)的知識(shí)，同時(shí)也讓我知道在面對(duì)一個(gè)具體問(wèn)題的時(shí)候該從何處下手，問(wèn)題求解的大體方向又該如何去思考，如何將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到具體問(wèn)題當(dāng)中。這個(gè)過(guò)程讓

10、我所獲頗多。在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，與同學(xué)分工設(shè)計(jì)，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(huì)了面對(duì)問(wèn)題的整體把握思想，學(xué)會(huì)了如何于同學(xué)完美合作，學(xué)會(huì)了寬容、理解，也學(xué)會(huì)了如何做人與處世。課程設(shè)計(jì)是我們專業(yè)課程知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，著是我們邁向社會(huì)，從事職業(yè)工作前一個(gè)必不少的過(guò)程?！鼻Ю镏惺加谧阆隆?，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我深深體會(huì)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(jì)，學(xué)會(huì)腳踏實(shí)地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會(huì)大潮中奔跑打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在這次設(shè)計(jì)過(guò)程中，體現(xiàn)出自己?jiǎn)为?dú)設(shè)計(jì)分析的能力以及綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，體會(huì)了學(xué)以致用、突出自己勞動(dòng)成果的喜悅心情，從中發(fā)現(xiàn)自己平時(shí)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)