任毅斌 劉文芝 趙璐 李太安 龐明思

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機械學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010051)

基于Pro/E和LS-DYNA的諧波齒輪動力學(xué)仿真分析

任毅斌 劉文芝 趙璐 李太安 龐明思

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機械學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010051)

使用Pro/E三維建模軟件和ANSYS/LS-DYNA動力學(xué)仿真軟件相結(jié)合對諧波齒輪傳動性能進行動力學(xué)仿真分析。利用Pro/E軟件對諧波齒輪的各個組件進行三維建模,將建好的杯形柔輪與剛輪剛?cè)狁詈夏Ｐ蛯?dǎo)入到ANSYS有限元軟件中,進行諧波齒輪的動態(tài)有限元接觸分析,得出柔輪在運動循環(huán)內(nèi)的不同時刻,杯形柔輪整體受到的應(yīng)力、變形分布規(guī)律。研究表明,利用Pro/E和ANSYS/LS-DYNA動力學(xué)軟件相結(jié)合,能夠準確對杯形柔輪進行動力學(xué)仿真計算,使得仿真結(jié)果更加貼近實際,為諧波齒輪的可靠性設(shè)計提供了基礎(chǔ)。

諧波齒輪 柔輪 顯示動力 接觸分析 應(yīng)力應(yīng)變

1 引言

諧波齒輪傳動是一種靠柔輪的彈性變形來實現(xiàn)運動和動力傳遞的新型傳動裝置，具有體積小、傳動比大、傳動精度高、承載能力大、回差小等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在航天飛機、智能機器人、雷達等領(lǐng)域[1-2]。柔輪作為中間撓性構(gòu)件是諧波傳動裝置中運動、動力的關(guān)鍵傳動件。目前，齒輪傳動的動態(tài)特性研究成為當前齒輪研究的主要課題。

本文以徑向嚙合、雙波、內(nèi)式凸輪波發(fā)生器為研究對象，在Pro/E軟件中建立諧波齒輪三維仿真模型，并在ANSYS軟件中進行動力學(xué)仿真，盡量貼近實際工況，對諧波傳動剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)計算，得到模型運動循環(huán)內(nèi)不同時刻，杯形柔輪整體三維應(yīng)力、變形分布規(guī)律，預(yù)測柔輪的危險斷面的位置，這為解決諧波傳動嚙合性能的關(guān)鍵問題提供了理論基礎(chǔ)。

2 諧波齒輪三維模型建立

以剛輪固定，凸輪式波發(fā)生器轉(zhuǎn)動，柔輪輸出的諧波齒輪傳動裝置為算例，杯形柔輪的材料為 30CrMnSiNiA，調(diào)質(zhì)、氮化處理。柔輪模數(shù) m=1mm，齒數(shù) z=100，傳動比50，齒頂高系數(shù)0.8，徑向間隙系數(shù)0.2，齒形為漸開線形，壓力角 30o，逆時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速 100rad/ s，利用Pro/E參數(shù)化諧波齒輪三維仿真模型，結(jié)果如圖1所示。

3 諧波齒輪有限元分析

3.1 諧波齒輪有限元模型

將模型導(dǎo)入到ANSYS/LS-DYNA中進行網(wǎng)格劃分，采用八節(jié)點solid164單點積分單元。模型中柔輪齒和剛輪齒接觸部分應(yīng)力比較集中，應(yīng)力瞬時變化劇烈，所以柔輪和剛輪齒輪接觸部分劃分網(wǎng)格單元長度小。為使模型簡單且節(jié)省CPU計算時間將波發(fā)生器簡化，且其應(yīng)力變化不大，網(wǎng)格劃分單元長度相對比較大。整個模型網(wǎng)格單元數(shù)量為24498個，單元節(jié)點數(shù)量為35735個。諧波齒輪有限元模型如圖2所示。

3.2 材料屬性

圖1 諧波齒輪三維仿真模型

圖2 柔輪和剛輪有限元網(wǎng)格劃分模型

諧波齒輪各部件材料屬性如表1。

圖3 諧波齒輪應(yīng)力應(yīng)變圖

3.3 邊界條件的設(shè)置

諧波齒輪模型中，為了便于計算分析，直接將簡化的剛性體波發(fā)生器和柔輪內(nèi)圈剛?cè)峤佑|，簡化軸承的作用。在盡量接近實際工況下，將波發(fā)生器和柔輪的靜摩擦系數(shù)設(shè)為FS=0.6，動摩擦系數(shù)分別設(shè)為FD=0.55。通過關(guān)鍵字*SPC_SET功能實現(xiàn)剛輪固定，而諧波齒輪中柔輪采用關(guān)鍵字*MAT_PLASTIC_KINEMATIC柔輪的材料屬性，其功能是保證柔輪在運行過程中彈性變形。由于柔性體和剛性體在接觸運行中容易發(fā)生穿透現(xiàn)象，為了避免這種現(xiàn)象在LSDYNA中采用自動面對面接觸方式，選取波發(fā)生器和柔輪，柔輪和剛輪的接觸區(qū)域來減小計算搜索的時間，模擬波發(fā)生器和柔輪，柔輪和剛輪的接觸狀態(tài)。

表1 金屬材料屬性

3.4 柔輪瞬態(tài)求解分析

求解結(jié)果可以得出在波發(fā)生器轉(zhuǎn)動下，迫使柔輪做周期性相對運動，整個柔輪受力載荷是瞬態(tài)不均勻的，從圖3(a)看出，柔輪齒圈和筒體傳遞運動和動力的末端應(yīng)力明顯大于筒體中間應(yīng)力;從圖3(b)看出，柔輪齒圈上出現(xiàn)應(yīng)力過大多是發(fā)生與波發(fā)生器長軸接觸的區(qū)域，齒面上越接近齒根區(qū)域應(yīng)力變化越大，且齒上的應(yīng)力在負載的作用下沿著負載方向逐漸變大;在連續(xù)轉(zhuǎn)動過程中，可以發(fā)現(xiàn)整個齒面的應(yīng)力會呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢，但是最大應(yīng)力為4.021×108Pa比表1中柔輪的屈服極限要小的多;在連續(xù)轉(zhuǎn)動過程中，可以發(fā)現(xiàn)整個齒面的應(yīng)力會呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢，為諧波傳動應(yīng)用可靠性的深入研究奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

介紹了基于PRO/E和ANSYS/LS-DYNA軟件的諧波齒輪傳動動態(tài)接觸應(yīng)力分析過程，通過采用Pro/E參數(shù)化特征建模方法，可得到諧波齒輪三維精確模型，采用ANSYS/LS-DYNA軟件可對諧波齒輪三維動力學(xué)進行實時接觸仿真分析;通過ANSYS后處理可以方便、快速、直觀地觀察三維接觸有限元輪齒嚙合過程中齒面接觸應(yīng)力分布情況。

利用有限元和相關(guān)有限元分析軟件在工程實際應(yīng)用中有一定的價值。它能有效地對諧波齒輪進行模擬仿真，從而可減少實驗的費用，為齒輪的動態(tài)設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計和可靠性設(shè)計打下基礎(chǔ)。

[1]JAMES F A,DENNIS R H.Charaeteristies and requirements of robotic manipulators for space operations[J].SPIE,1991,1612：13-23.

[2]SHMITZ E,RAMEY M.Initial experiments on the endpoint control of a 2-DOF log-reach elastic manipulator[J].SPIE,1991,1612：245-256.

[3]沈允文,葉慶泰“諧波齒輪傳動的理論和設(shè)計”[M]北京：機械工業(yè)出版社,1985.

[4]Xin Hong-bing,He Hui-Yang,Xie Jin-Rui.Study on Effect of Toothed Rim on Stress in flexpline.Optics precision engineering,1998,6(2)71-74.

[5]韓建華、范祖光.諧波齒輪傳動中杯形柔輪的應(yīng)力分析[J].齒輪,1987,11(5)6-9.