基于虚拟样机技术的减速器动力学仿真研究

论文摘要

齿轮减速器作为一种典型的传动机构广泛应用于现代机械传动之中。其运动学和动力学特性关系到减速器本身乃至整个设备性能的发挥。虚拟样机技术在传动机构动力学仿真中的成功应用不仅可以提高仿真精度,而且可以缩短产品设计周期,对于工程实际具有重要的应用价值。通过虚拟样机技术,工程师可以通过机械系统运动仿真,在产品设计阶段发现产品设计中的潜在问题,并快速进行修改,减少了对于物理样机的依赖,这样不仅可以节省成本,缩短产品开发周期,而且可以提高产品性能,增强产品竞争力。本文在统筹分析减速器动力学性能的基础上,结合前人利用虚拟样机技术对齿轮减速器动力学性能的研究,以某一级齿轮减速器为研究对象,通过对齿轮动力学进行深入分析研究,进一步了解齿轮系统结构形式、几何参数、加工方法对系统动力学行为的影响,从而指导高质量减速器的设计和制造。本论文主要做了以下工作:针对一具体实例,设计出该减速器,并在PRO/E的平台上基于参数化建模建立了该减速器中各部件的模型,然进行了减速器的虚拟装配和仿真分析。在运动仿真过程中,进行干涉检查,从而验证了减速器几何参数设计的合理性。在MSC-ADAMS中建立了减速器传动机构的多刚体动力学仿真模型,基于Hertz静力弹性接触理论推导出斜齿轮的接触力仿真参数计算公式。仿真得到的输出轴的转速和角加速度以及传动齿轮的啮合力的大小及频率都和理论计算结果一致,从而验证了虚拟样机和公式的正确性。在此基础上,分析了齿轮减速器内外部因素对其动力学性能的影响,用有限元分析的办法对减速器输出轴进行模态分析,生成了用于柔性体动力学仿真分析的输出轴模态中性文件MNF。在此基础上在ADAMS中建立了减速器的柔性体虚拟样机模型,并进行柔性体减速器虚拟样机仿真,分析了输出轴的柔性对减速器动力学性能的影响。本文基于以上虚拟样机分析得出的载荷谱,将其导入到有限元分析软件ANSYS中,对其进行进行强度分析,得到齿轮轴上的应力、应变分布及变形,为齿轮轴的结构设计提供了分析依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 齿轮减速器动力学的现状与进展
• 1.2.1 关于齿轮减速器系统动力学
• 1.2.2 齿轮减速器系统动力学的研究内容
• 1.3 虚拟样机技术
• 1.3.1 虚拟样机技术方法
• 1.3.2 虚拟样机技术在减速器动力学研究方面的应用
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 ADAMS软件的理论基础与计算方法
• 2.1 ADAMS软件仿真介绍
• 2.1.1 ADAMS软件简介
• 2.1.2 ADAMS软件功能
• 2.1.3 ADAMS分析原理
• 2.1.4 多刚体和多柔体的关系
• 2.2 ADAMS软件的动力学理论
• 2.2.1 广义坐标选择
• 2.2.2 动力学方程的建立
• 2.2.3 运动学分析
• 2.2.4 动力学分析
• 2.3 多柔体系统动力学理论
• 2.3.1 离散化方法
• 2.3.2 模态集成法
• 2.3.3 求解方法
• 2.4 本章小节
• 第3章 基于PRO/E的减速器设计与建模
• 3.1 PRO/E软件系统
• 3.2 参数化建模及其实现方法
• 3.3 减速器的设计参数
• 3.4 齿轮的参数化设计
• 3.4.1 斜齿轮齿廓的形成原理
• 3.4.2 斜齿轮的基本参数
• 3.4.3 斜齿轮的设计思路
• 3.5 减速器其他零件的参数化建模
• 3.6 减速器虚拟装配及干涉分析
• 3.6.1 减速器虚拟装配模型
• 3.6.2 减速器干涉分析
• 3.7 本章小节
• 第4章 减速器刚性体虚拟样机的建造与仿真分析
• 4.1 虚拟样机仿真分析步骤
• 4.2 模型数据的引入
• 4.3 虚拟样机的建立
• 4.3.1 ADAMS中的接触
• 4.3.2 齿轮接触力仿真参数分析
• 4.3.3 仿真分析
• 4.3.3.1 模型检验
• 4.3.3.2 减速器虚拟样机的传动比验证
• 4.3.3.3 各齿轮轴角加速度分析
• 4.3.3.4 齿轮啮合力仿真分析
• 4.4 内外部激励对动态响应的影响
• 4.4.1 内部激励对动态响应的影响
• 4.4.2 外部激励对动态响应的影响
• 4.5 本章小节
• 第5章 减速器柔性体虚拟样机的建造与仿真分析
• 5.1 概述
• 5.2 有限元分析原理概述
• 5.3 多体理论与有限元结合分析基本原理
• 5.3.1 ADAMS与ANSYS的双向接口
• 5.3.2 ANSYS与ADAMS的协同柔性多体动力学仿真步骤
• 5.4 输出轴在ANSYS中的模态分析及模态中性文件的建立
• 5.4.1 模态分析概述
• 5.4.2 输出轴有限元模型的建立
• 5.4.3 单元类型和材料属性的选取
• 5.4.4 加载并求解
• 5.4.5 输出轴模态中性文件的建立
• 5.4.6 减速器柔性体虚拟样机的建立
• 5.4.7 减速器柔性体虚拟样机仿真分析
• 5.5 减速器输出轴的有限元分析
• 5.5.1 分析模型
• 5.5.2 有限元分析
• 5.5.3 计算结果与分析
• 5.6 本章小节
• 第6章 全文总结
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢