ProE直齿、斜齿轮的参数化建模

ProE直齿、斜齿轮的参数化建模 摘 要 随着科技的发展，计算机辅助设计技术越来越广泛的应用在各个设计领域。现在，它已经突破了二维图纸电子化的框架，转向以三维实体建模、动力学模拟仿真和有限元分析为主线的机械系统动态仿真技术。其研究范围主要是机械系统运动学和动力学分析，核心是利用计算机辅助技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各构件在任意时刻的位置、速度和加速度，同时，通过求解代数方程组确定引起系统各构件运动所需的作用力和反作用力。动态仿真技术一出现，就受到人们的普遍关注和重视，并且出现了许多基于动态方=仿真技术的商业软件，较有影响的有美国参数技术公司的PTC。 以Pro/MECHANICA为分析平台，运用有限元分析方法，对直齿轮、斜齿轮实际受力情况、边界条件和施加载荷进行研究。运动分析模块可以进行机构的干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等。运动分析模块的分析结果可以指导修改零件的结构设计(加长或者缩短构件的力臂长度、修改凸轮型线、调整齿轮齿数比和中心距等)或者调整零件的材料(减轻或者加重或者增加硬度等)。设计的更改可以直接反映在装配主模型的复制品分析方案(Scenario)中，再重新分析，一旦确定优化的设计方案，设计更改就可直接反映到装配主模型中。将Pro/E三维实体造型与Pro/MECHANICA机构运动分析相结合，完成对连杆和凸轮机构的机构运动分析，及运动仿真。加强对连杆和凸轮机构的认识与理解。 关键词: 直齿轮、斜齿轮; Pro/E 、Pro/MECHANICA; 运动仿真、有限元 1 Abstract With the development of technology, computer-aided design technology becomes more widely used in various design.Now, it has broken through the framework of two-dimensional drawings、 electronic、shift tothree-dimensional solid modeling, dynamic simulation and finite element analysis of the main line of the mechanical system dynamic simulation techniques.The major areas of its study kinematics and dynamics of mechanical systems, the core technology is the use of computer-aided kinematics and dynamics of mechanical systems analysis to determine the system and its components at any time of the position, velocity and acceleration at the same time,by solving algebraic equations determine the cause of the required system component moving action and reaction.Dynamic simulation appeared to be widespread concern and attention, and there were many parties = simulation based on dynamic business software, more influential technology companies of U.S. parameters PTC. To Pro / MECHANICA platform for analysis using the finite element method, on the spur gear, helical gear by the force of the actual situation, boundary conditions and applied load were studied.Motion analysis module analyzes institutional interference, tracking the trajectory of parts, parts of bodies in the speed, acceleration, force, reaction force and torque and so on.Motion analysis results of the analysis module to modify parts of the structure could guide design (longer or shorter moment arm length of the component, modify the cam, adjust the gear ratio and center distance, etc.) or adjust the parts of the material (to reduce or add to or increase the hardnessetc.).Design changes can be directly reflected in the assembly of copies of the master model program (Scenario), the re-analysis, Once optimized design, design changes can be directly reflected in the assembly of the main model.The Pro / E three-dimensional solid modeling and Pro / MECHANICA combined kinematic analysis, complete linkage and cam mechanism of the body motion analysis and 2 motion simulation.Connecting rod and cam mechanism to strengthen knowledge and understanding. Key words: spur gears, helical gears; Pro / E, Pro / MECHANICA; motion simulation, finite element 3 摘 要 ........................................................................................................................................................ 1 第一章 绪论 .......................................................................................................................................... 6 1.1、课题来源 ................................................................................................................................... 6 1.2、研究目的和意义 ....................................................................................................................... 6 1.3、国内外研究现状和发展趋势 ................................................................................................... 7 1.3.1 我国齿轮工业的概况 ...................................................................................................... 8 1.3.2 中国齿轮工业的资本结构已成为三足鼎立的局面 ...................................................... 8 1.4、本课题的主要研究内容及拟采取的技术路线、试验方案 ................................................... 8 1.4.1 预期达到的目标 ............................................................................................................ 9 1.4.2 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 的结构 .................................................................................................................... 9 第二章 Pro/ENGINEER软件的应用和MECHNICA模块的应用 ..................................................... 10 2.1 PRO/MECHANICA简介 ....................................................................................................... 10 2.1.1 PRO/MECHANICA模块介绍 .................................................................................... 10 2.1.2 PRO/MECHANICA的工作模式 ................................................................................ 11 2.1.3 使用PRO/MECHANICA的一般步骤 ......................................................................... 11 第三章 直齿轮与斜齿轮参数化设计造型 ............................................................................................ 12 3.1齿轮的基本参数、各部分的名称和尺寸关系 ........................................................................ 12 3.1.1 直齿圆柱基本参数 ........................................................................................................ 12 3.1.2 斜齿轮基本参数 .......................................................................................................... 15 3.2 渐开线直齿轮参数化造型 ..................................................................................................... 16 3.2.1 直齿轮参数化制作过程如下: .................................................................................... 16 3.2.2 渐开线斜齿轮参数化造型 .......................................................................................... 18 第四章 有限元优化设计 ...................................................................................................................... 23 4.1 有限元分析方法与原理 ........................................................................................................... 24 4.1.1有限元分析 ..................................................................................................................... 25 4.1.2有限元的基本原理和特点 ............................................................................................. 25 4.1.3有限元网格生成技术 ..................................................................................................... 27 4.1.3 网格划分举例 .............................................................................................................. 28 第五章 基于Pro/Mechanism直齿轮啮合、斜齿轮啮合过程中装配与运动仿真 ........................... 34 5.1 Pro/M的简介及其主要特性 .................................................................................................. 34 5.1.1 Pro/M的简介 ............................................................................................................... 34 5.1.2 Pro/M的主要特性 ....................................................................................................... 35 5.2 机构运动仿真的一般过程 ..................................................................................................... 35 5.3 机械系统运动仿真的优越性 ................................................................................................... 37 5.4 Pro/E装配模块 ....................................................................................................................... 37 5.4.1 对于组装时，我们需要把握以下原则: ....................................................................... 37 5.4.2 关于直齿轮机构的组装 .............................................................................................. 38 5.5 基于Pro/Mechanism直齿轮啮合、斜齿轮运动仿真 ........................................................ 40 5.5.1 运动定义及运动分析的一般步骤 .............................................................................. 40 5.5.2 空间定轴轮系机构的运动分析 .................................................................................. 43 5.5.3 定义齿轮从动连接结构 .............................................................................................. 43 5.5.4 添加驱动器 .................................................................................................................. 44 4 5.5.5 运动分析 ...................................................................................................................... 44 5.5.6 图形结果分析 ............................................................................................................ 44 第六章 直齿轮、斜齿轮的静力学分析 ................................................................................................ 44 6.1 Pro/MECHANICA有限元分析的基本步骤: ........................................................................ 44 6.2 Pro/MECHANICA STRUCTURE基本分析过程 ................................................................. 45 6.3 简单算例 ................................................................................................................................. 53 6.3.1 接触算例 ........................................................................................................................ 53 总 结 ...................................................................................................................................................... 62 致谢 .......................................................................................................................................................... 63 阅读的主要文献、资料 .......................................................................................................................... 64 5 第一章 绪论 1.1、课题来源 以往对于直齿、斜齿圆柱齿轮的三维造型建模很烦琐,但三维造型软件Pro/E突破性的解决了此问题。利用该软件方便而精确建模的同时还能实现直齿、斜齿轮的参数化建模,这样就实现了直齿、斜齿轮系列化设计,从而使设计人员从大量繁重的绘图工作中解脱出来,提高了设计速度,并减少信息的存储量。 1.2、研究目的和意义 随着科技的发展，计算机辅助设计技术越来越广泛的应用在各个设计领域。现在，它已经突破了二维图纸电子化的框架，转向以三维实体建模、动力学模拟仿真和有限元分析为主线的机械系统动态仿真技术。其研究范围主要是机械系统运动学和动力学分析，核心是利用计算机辅助技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各构件在任意时刻的位置、速度和加速度，同时，通过求解代数方程组确定引起系统各构件运动所需的作用力和反作用力。动态仿真技术一出现，就受到人们的普遍关注和重视，并且出现了许多基于动态方=仿真技术的商业软件，较有影响的有美国参数技术公司的PTC。 Pro/E(Pro/Engineer软件)是美国参数技术公司(parametric technology corporation，简称PTC)的重要产品，在目前的三维造型软件领域中占有重要的地位，它作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 而得到了业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAE/CAM软件之一。该软件先进的设计理念体现了机械设计自动化(mechanical designautomation，MDA)系列软件的最新发展方向，成为提供工业解决方案的有力工具，因而被广泛应用于机械、电子、航空、航天、军工、纺织等行业。用Pro/E设计的每一实体模型均有对应的主要设计步骤及尺寸参数列表，通过修改此列表即可根据需要对设计内容进行全面修改，而该列表的修改可通过运行Pro/E中的program程序来实现，即通过对program程序的二次开发可实现零件的参数化设计。一个(或一类)零件可用一些概念化的特征参数控制零件的结构尺寸，从而实现精确、 6 快速的设计。 齿轮传动在各个行业中应用广泛，但Pro/E，ADMAS，和UG等软件并没有提供相应的模块，尽管通过复杂的造型设计可以生成齿轮，但变化齿形、齿数、模数和变位系数等参数后，又需要复杂的设计计算和造型形状判断，工作量复杂，因此齿轮的三维快速造型设计成为造型设计中望而却步的工作。 为了促进复杂机械系统齿轮造型的三维快速造型以及运动仿真技术的发展，我参与了这项关于齿轮的造型与有限元手里分析的毕业设计课题。 齿轮是使用量大面广的传动零件。自1765年欧拉(L.Euler)创立渐开线圆柱齿轮以来，至今已有二百多年的历史。 510目前齿轮技术达到的指标:圆周速度V=300m/s，转速N=r/min，传递的功率 510P=kW，模数m=(0.004—100)mm，直径d=1mm—152.3m。 近年来，我国相继制订了齿轮和减速器许多新标准，新产品，新技术不断涌现。齿轮(含汽车齿轮在内)和减速器生产的年产值超过500亿元，为发展我国的机械产品作出了重大的贡献。 1.3、国内外研究现状和发展趋势 随着计算机技术、信息技术和自动化技术的推广应用，汽车齿轮企业的组织结构和运作方式已经从传统的金字塔式多层次生产管理结构向扁平的网络化结构转变，从传统的顺序工作方式向并行工作方式转变。一些先进的汽车齿轮企业已经通过精益生产、敏捷制造、智能制造，实现了高精度、高效益的智能化齿轮生产线计算机网 络化管理。 汽车齿轮企业在进行产品设计的同时进行工艺过程设计，安排好产品生产周期的各个配套环节，缩短了产品投放市场的时间。并行 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 在美国和日本的汽车齿轮行业应用广泛。快速原型制造技术在国外汽车齿轮行业发展十分迅速。早在1990年，美国的一些汽车齿轮制造企业就已经做到了“3个3”:产品的生命周期是3年，产品的试制周期是3个月，产品的设计周期是3个星期。 汽车齿轮企业向大型化、专业化、国际化方向发展。比如，世界最大的齿轮传动系统集团ZF已经发展成为年产值达50亿美元的跨国公司，有50%的产品出口。 7 发达国家的汽车公司纷纷和齿轮厂脱钩，实行国际采购。近几年来，美国、日本和德国的一些汽车公司已经开始来中国寻求齿轮、变速箱配套。汽车齿轮必将完全成为国际采购和国际配套的产品。 计算机技术和数控技术快速发展，提高了汽车齿轮产品的加工精度和加工效率，推动汽车齿轮产品向多样化、整机配套模块化、标准化和造型设计艺术化方向发展。 1.3.1 我国齿轮工业的概况 齿轮传动产品是汽车。工程机械、农机、摩托车、传动系统的主体。工业齿轮传动产品几乎是所有机械成套装备的主要传动部件。随着中国汽车、工程、农机和成套机械工业的发展，近十年，中国齿轮工业得到了快速发展。目前，年产值已超过900亿人民币。 齿轮工业主要由三类企业组成，车俩齿轮传动制造企业、工业齿轮传动制造企业与齿轮专用装备制造企业。全国大小齿轮企业近千家，骨干齿轮企业400多家，亿元以上的企业有70家，目前，齿轮行业已成为机械基础件中规模最大的行业。 1.3.2 中国齿轮工业的资本结构已成为三足鼎立的局面 中国齿轮工业的基础是国有改制的各类股份公司，经过30年的改革，尤其近十年来的股份制改造，企业发展迅速。如上海汽车齿轮公司、陕西法士特齿轮公司、南京高精齿轮公司、重庆试论箱有限公司等，都已经成为年销售10亿—20亿的企业。 独资、合资企业技术先进，市场运作比较成熟，发挥了示范作用。如SEW(天津)公司进入中国以后，发展迅速，已经由独家SEW(天津)公司扩展成为SEW(苏州)公司、SEW(广州)公司。 民营股份企业活力四射，发展迅速，正在进入国际市场。如浙江双环齿轮公司、浙江中马齿轮公司。杭州万杰公司。江苏太平洋精锻齿轮公司，这些企业都是近10年飞速发展起来的，都有2亿—10亿元的销售规模。 1.4、本课题的主要研究内容及拟采取的技术路线、试验方案 (1) 收集Pro/ENGINEER软件和直齿、斜齿轮的资料、调研; (2) Pro/ENGINEER软件的应用和MECHNICA模块的应用; 8 (3) 完成直齿轮的参数化设计造型; (4) 完成斜齿轮的参数化设计造型; (5) Pro/MECHNICA有限元分析模型的建立; (6) 有限元单元网格的划分、约束和负荷的设置; (7) 直齿轮啮合、斜齿轮啮合过程中装配与运动仿真; (8) 直齿轮、斜齿轮的静力学分析，测算模型的应力、应变、位移等参数; 1.4.1 预期达到的目标 通过本次研究，希望能对基于Pro/ENGINEER的直齿、斜齿轮的造型与有限元受力分析有个系统而全面的认识，加深对机械设计、机械原理等课程的技术理论认识的理解，能熟悉Pro/ENGINEER软件，能对直齿、斜齿轮的结构和性能有个大致的了解。 1.4.2 论文的结构 本文主要研究工作分为以下几个部分: 第1章:绪论部分。分析了国内外机构运动分析技术的发展现状，并对齿轮机构及相关零部件的研究现状进行阐述。阐述了在集成环境下进行建模与有限元分析的优点，从理论上证明了课题展开的可行性。 第2章: Pro/ENGINEER软件的应用和MECHNICA模块的应用 第3章:直齿轮与斜齿轮参数化设计造型。介绍了运用参数化三维软件PRO/E对圆柱直齿轮进行三维建模, 通过模型模块中的规律曲线,建立齿形轮廓,通过与齿根圆柱布尔运算、拉伸、引入特征阵列等命令,建立圆柱直齿轮三维模型,达到了改变基本参数,立即得到相应的圆柱直齿轮三维模型的参数化驱动化设计,同时对不同齿廓的齿轮均给出了建模方法 第4章:有限元优化设计。重点从有限元分析的角度，Pro/MECHANICA 分析软件为例介绍了进行有限元分析的基本方法和过程，并且重点强度了分析后的敏感度研究和优化设计研究的应用。 第5章:基于Pro/Mechanism直齿轮啮合、斜齿轮啮合过程中装配与运动仿真 第6章:直齿轮、斜齿轮的静力学分析。可对进行零件模型和装配模型的结构分析和优化分析。具有的分析类型有:静态分析、模态分析、屈曲分析、接触分析、预紧分析及振动分析等。 9 最后一部分是全文总结与致谢。 第二章 Pro/ENGINEER软件的应用和MECHNICA模块的应用 2.1 PRO/MECHANICA简介 Pro/MECHANICA(简称Pro/M)是美国PTC开发的有限元软件，该软件可以实现和Pro/E的完全无缝集成。 同其他有限元软件相比，Pro/E软件可以完全实现几何建模和有限元分析的集成。绝大部分有限元软件的几何建模功能比较弱，这些有限元软件通常通过IGES格式或者STEP格式进行数据交换，而这样做最大的弊端在于容易造成数据的丢失，因此常常需要花费大量的时间与精力进行几何模型的修补工作。使用Pro/M恰好可以克服这一点，该软件就可以直接利用Pro/E的几何模型进行有限元分析。由于Pro/E具有强大的参数化功能，那么在Pro/M中就可以利用这种参数化工具的特点，进行模型的灵敏度分析和优化设计，具体地说，当模型的一个或多个参数在一定的范围内变化时，求解出满足一定设计目标(如质量最小、应力最小)的最佳化几何形状。 因此，可以说Pro/M软件可以真正使工程师们将精力集中在设计工作中，在设计初期就将设计和分析结合起来，从而实现智能设计。使用Pro/M不需要较深的有限元知识，用户只要略懂材料属性和应力应变基础就可以进行复杂模型的分析工作。 2.1.1 PRO/MECHANICA模块介绍 有限元软件Pro/M的主要模块有以下3个部分: 1. Pro/MECHANICA STRUCTURE:结构分析软件包，可以进行零件模型和装配 模型的结构分析和优化分析。它可以完成的分析种类有静态分析、模态 分析、曲屈分析、接触分析、预紧力以及振动分析等。 2. Pro/MECHANICA THERMAL:温度分析软件包，可以进行零件模型或装配模 型的稳态和瞬态温度分析，也可以根据温度问题进行灵敏度分析和优化设计。 3. Pro/MECHANICA MOTION:运动分析软件包，进行机构分析和机构运动优化设计，可以进行三维静态分析、运动学分析、逆向动力学分析以及干涉检验分析。 10 2.1.2 PRO/MECHANICA的工作模式 Pro/MECHANICA有两种工作模式: 1. 集成模式(Integrated Mode):在Pro/E环境界面下工作，可以直接利用模型进行 网格划分工作，Pro/M分析中所有设计参数的变化都可以直接反映到模型中去。 2. 独立模式(Independent Mode):在Pro/M环境界面下工作，有限元模型可以由Pro/M创建，也可以从其他CAD系统中输入集合模型数据。其功能比在集成模式下弱。用户可以在集成模式和独立模式下进行切换，但切换的顺序只能由集成模式切换到独立模式，不能逆向。 2.1.3 使用PRO/MECHANICA的一般步骤 使用Pro/MECHANICA进行有限元分析的基本步骤如下: 1. 建立几何模型:在Pro/Engineer中创建几何模型。 2. 识别模型特征:将几何模型由Pro/E导入Pro/M中，此步骤需要确定模型的类型，默认的模型类型是实体模型。 3. 设定模型的材料、约束和载荷。 4. 设定模型的材料特性:在装配件分析中，可以为不同的零件分配不同的材料属性。在应力分析中，杨氏模量和泊松比是必需的材料特征。 5. 为模拟模型在现实中的功能，必须定义模型的约束。定义约束就是限制模型的自由度个数。 6. 设定模型载荷(载荷种类有点载荷、边载荷以及面压力载荷等)。 7. 有限元网格划分:由Pro/M中的AutoGEM(自动网格划分器)工具完成有限元网格的自动划分。 8. 定义分析任务，运行分析:首先建立分析任务，然后Pro/M进行错误检查，进行计算，生成计算结果数据和计算过程信息。 9. 根据设计变量计算较感兴趣的项目。 10. 图形显示计算结果:可以显示变形情况、应力分布以及模态振型等计算结 果。 11 第三章 直齿轮与斜齿轮参数化设计造型 齿轮是机械传动中常用的零件之一，尤其渐开线 齿轮应用广泛。随着计算机的高速发展，机械设计不 仅限于二维计算机绘图，正在朝CADICAEZCAM一体化的方向发展，这就需要对机械零件进行参数化设计。 对圆柱齿轮而言，改变齿数z、模数m、压力角a等常用参数，可以得到不同的齿轮。由于齿形轮廓形状复杂,参数驱动化设计困难,介绍了运用参数化三维软件PRO/E对圆柱直齿轮进行三维建模, 通过模型模块中的规律曲线,建立齿形轮廓,通过与齿根圆柱布尔运算、拉伸、引入特征阵列等命令,建立圆柱直齿轮三维模型,达到了改变基本参数,立即得到相应的圆柱直齿轮三维模型的参数化驱动化设计,同时对不同齿廓的齿轮均给出了建模方法。 3.1齿轮的基本参数、各部分的名称和尺寸关系 3.1.1 直齿圆柱基本参数 当圆柱齿轮的轮齿方向与圆柱的素线方向一致时，称为直齿圆柱齿轮。表10.1.2-1列出了直齿圆柱齿轮各部分的名称和基本参数。 表10.1.2-1 直齿圆柱齿轮各部分的名称和基本参数 名符 说 明 示意图 称 号 齿 z 数 模 πd=zp, d=p/πz, 令 m m=p/π 数 齿da 通过轮齿顶部的圆周直径 12 顶 圆 齿通过轮齿根部的圆周直径 根df 圆 分 齿厚等于槽宽处的圆周直度d 径 圆 齿 齿顶圆与齿根圆的径向距 h 离 高 齿 分度圆到齿顶圆的径向距顶ha 离 高 齿 分度圆到齿根圆的径向距根hf 离 高 在分度圆上相邻两齿廓对齿 p 应点的弧长 距 (齿厚，槽宽) 齿 s 每个齿在分度圆上的弧长 厚 一对齿轮传动时，两齿轮 的齿廓在连心线O1O2上接节 d' 触点C处，两齿轮的圆周圆 速度相等，以O1C和O2C 为半径的两个圆称为相应 13 齿轮的节圆。 齿轮传动时，一齿轮(从动 压轮)齿廓在分度圆上点C的 力α 受力方向与运动方向所夹 角 的锐角称压力角。我国采 用标准压力角为20?。 啮 α在点C处两齿轮受力方向 合 ' 与运动方向的夹角 角 模数m是设计和制造齿轮的重要参数。不同模数的齿轮要用不同的刀具来加工制造。为了便于设计和加工，模数数值已标准化，其数值如表10.1.2-2所示。 表10.1.2-2 齿轮模数标准系列(摘录GB/T1357-1987) 第一系 1 1.25 1.5 2 2.5 3 4 5 6 8 10 12 列 16 20 25 32 40 50 第二系1.75 2.25 2.75 (3.25) 3.5 (3.75) 4.5 5.5 (6.5) 7 9 (11) 14 列 18 22 28 36 45 注:选用模数时，应优先选用第一系列;其次选用第二系列;括号内的模数尽可能不用。 标准直齿圆柱齿轮各部分的尺寸与模数有一定的关系，计算公式如表10.1.2-3。 表10.1.2-3 标准直齿圆柱齿轮轮齿各部分的尺寸计算 名 称 符 号 公 式 分度圆直径 d d,mz 14 齿顶圆直径 da da ,d+2 ha ,m(z+2) 齿根圆直径 df df ,d+2 hf ,m(z-2.5) 齿顶高 ha ha ,m 齿根高 hf hf ,1.25m 全齿高 h h ,ha + hf = 2.25m 中心距 a a ,m?2 (z1+z2) 2.齿 距 p P = πm 3.1.2 斜齿轮基本参数 法面参数: (垂直于螺旋线方向所作的截面称为法面) 端面参数: (垂直于齿轮轴线方向所作的截面称为端面) 法面参数与端面参数的换算关系 1. 标准参数---------用滚齿法加工的斜齿轮, 其法面参数是标准值,即: 法面摸数m符合国家规定的标准摸数系列表(GB/T1357-87). n 法面压力角 法面齿顶高系数 法面顶隙系数 2. 端面参数计算--------在计算斜齿轮的几何尺寸时,常需用到的端面参数是: 端面模数: 端面压力角: 端面齿顶高系数: 端面顶隙系数: 3. 斜齿轮的标准中心距公式 15 由此可知,在设计斜齿轮传动时,可以用改变螺旋角的办法来调节中心距的大小,使得凑中心距有多了一条途径。 斜齿圆柱齿轮端法面压力角的图形关系 3.2 渐开线直齿轮参数化造型 3.2.1 直齿轮参数化制作过程如下: 1 打开PROE之后，新建——零件——输入文件名为gear1; 2 单击菜单栏——工具——参数; 3 在FRONT平面上创建4个圆——单击菜单栏工具——关系，输入以下关系式: D=M*Z 16 HA=(HAX+X)*M HF=(HAX+CX-X)*M DA=D+2*HA DF=D-2*HF DB=D*COS(ALPHA) sd0=D sd1=DA sd2=DF sd3=DB 完成之后——退出草图模式 4 创建直齿轮渐开线; 单击创建基准曲线命令——选择系统坐标系——选择坐标系类型为笛卡尔坐标系——在弹出的记事本窗口输入渐开线方程: r=db/2 theta=t*45 x=r*cos(theta)+r*sin(theta)*theta*pi/180 y=r*sin(theta)-r*cos(theta)*theta*pi/180 z=0 5 创建基准点————参照为第四步建立的曲线和绘制第二大的圆; 6 创建基准轴——参照为right和top平面; 7 创建基准平面DTM1————参照为基准轴和基准点; 8 创建基准平面DTM2————参照为基准轴和DTM1，旋转角度360/(4*z); 9 镜像第四步创建的渐开线——镜像平面为DTM2;如下图: 10 拉伸最小的圆，对称拉伸为大小B; 11 拉伸齿廓——对称拉伸大小为B;如下图 17 12 阵列齿————轴阵列————个数为4——角度为360/z——完成; 13 单击菜单栏工具——关系——在图形窗口选择刚刚建立的阵列特征——选择尺寸Pxx:在关系窗口输入:Pxx=z; 14 再生模型。如下图: 3.2.2 渐开线斜齿轮参数化造型 斜齿轮参数化制作过程如下: 1 打开PROE之后，新建——零件——输入文件名为gear2; 2 单击菜单栏——工具——参数; 18 3 在FRONT平面上创建4个圆——单击菜单栏工具——关系。 输入以下关系式: HA=(HAX+X)*MN HF=(HAX+CX-X)*MN D=MN*Z/COS(BETA) DA=D+2*HA DF=D-2*HF ALPHAT=ATAN(TAN(ALPHA)/COS(BETA)) DB=D*COS(ALPHAT) sd0=D sd1=DA sd2=DF sd3=DB 完成之后——退出草图模式; 4 创建直齿轮渐开线; 单击创建基准曲线命令——选择系统坐标系——选择坐标系类型为笛卡尔坐标系——在弹出的记事本窗口输入渐开线方程: 19 r=db/2 theta=t*45 x=r*cos(theta)+r*sin(theta)*theta*pi/180 y=r*sin(theta)-r*cos(theta)*theta*pi/180 z=0 5 创建基准点————参照为第四步建立的曲线和绘制第二大的圆; 6 创建基准轴——参照为right和top平面; 7 创建基准平面DTM1————参照为基准轴和基准点; 8 创建基准平面DTM2————参照为基准轴和DTM1，旋转角度360/(4*z); 9 镜像第四步创建的渐开线——镜像平面为DTM2;如上图: 10 拉伸最大的圆(即齿顶圆)，对称拉伸为大小B; 11 在拉伸圆柱的底面草绘斜齿轮的轮廓; 12 复制斜齿轮的轮廓: 20 编辑——特征操作——复制——移动——选取——独立——完成——选择第十一步建立的斜齿轮轮廓——完成——平移——选择FRONT平面——反向——输入偏距距离为B——确定——旋转——曲线/边/轴——选择中心轴——输入旋转角度为2*b/d*tan(beta)*180/pi——完成旋转——完成复制。 13 创建螺旋曲线: 单击创建基准曲线工具——从方程——选择坐标系:原始坐标系——选择圆柱坐 标系类型——在弹出的记事本窗口输入以下方程: r=d/2 theta=2*b*tan(beta)/d*t*180/pi z=b*t-b/2 完成——确定。 14 创建斜齿轮切口 插入——扫描混合——选择实体、创建切口按钮——在参照一栏选择螺旋曲线作 21 为扫描轨迹——在截面一栏选择所选草绘:选择两个斜齿轮的齿形轮廓——单击完成。 15 阵列齿————轴阵列————个数为4——角度为360/z——完成; 16 单击菜单栏工具——关系——在图形窗口选择刚刚建立的阵列特征——选择尺寸Pxx:在关系窗口输入:Pxx=z; 17 再生模型。 22 第四章 有限元优化设计 基于 Pro/MECHANICA 有限元分析优化设计应用 2009年02月18日CAD 世界网产品设计对当今处于市场激烈竞争的企业的意义。 重点从有限元分析的角度，Pro/MECHANICA 分析软件为例介绍了进行有限元分析的基本方法和过程，并且重点强度了分析后的敏感度研究和优化设计研究的应用。 在当今市场客户对产品要求越来越高，竞争日益激烈的情况下，如何研发设计出更好的产品，尤其是产品中关键零部件就显得更为重要，一个好的合理的设计， 既能提升产品的性能，又能节省成本，对企业来说是获得多重效益的。本章就应用 Pro/E 软件分析功能来改进关键零部件的设计做一探讨。 有限元分析是机械设计工程师不可缺的重要工具，广泛应用于机械产品的设计开 发。 Pro/E 软件分析模块 Pro/MECHANICA 就是一种即好用又有效的有限元分析软 件。合理的应用能给我们的产品设计起到很好效果。下面以一个简单零件为例说 明其具体实现过程。实现了几何建模和有限元分析的无缝集成，并能优化产品设 计，提高新产品开发的效率和可靠性。 如下图所示，定义零件的材料属性，如定义为钢 steel，双击即可看到所定义材 料的属性参数如杨氏模量和泊松比等，也可以按实际情况进行修改编辑。然后定 义约束，该零件的上端面为固定六个自由度的完全约束。再定义载荷，按产品实 际使用时的工况孔受轴承力。如图预览轴承力为按所指方向最大，然后沿孔向两 边递减至半个圆周，这是 Pro/MECHANICA 可以定义的一种载荷类型，其他的对象 受力、变化载荷、压力、重力、离心力等都能方便的定义。 Pro/MECHANICA 中 有丰富的理想化模型、约束、载荷等可以描述要分析对象的各种工况。 然后定义我们要进行的分析，这里我们定义静态分析和模态分析。在定义静态分析时选择我们前面定义的约束和载荷，模态分析选择约束即可。并且对定义的分析分别执行运算，然后查看结果。如图 2，图 3 为静态分析的应力和变形图，通过云图可以看到应力和位移变形的分布状况，以及出现的最大值。应力为 max_stress_vm: 2.180201e+04;变形为 max_disp_mag: 1.025765e-05。 各阶模态分析的结果分别 Mode Frequency (Hz) 1 1.244865e+03 2 2.700293e+03 3 3.070677e+03 4 7.562682e+03 在 Pro/MECHANICA 中可以定 23 义多种类型的分析，包括静态分析、模态分析、动 态时域、动态频域、冲击振动、随机振动、预紧力静、模态分析及疲劳分析等。 在定义后处理查看运行结果时，Pro/MECHANICA 也有众多选项可以根据需要做出 各种效果的结果图及分析 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 。另外，在进行上述分析前，我们未讨论网格的划 分问题， 是因为缺省情况下 Pro/MECHANICA会以 P 单元对模型自动进行网格划分， 当然我们也可以对网格的划分方式和控制参数进行设置。 在对当前的模型做完分析， 查看结果后， 如果分析结果不能满足产品设计的要求， Pro/MECHANICA 可以对产品进行局部/全局敏感度分析和优化设计，确定满足优 化目标的模型。 所谓敏感度分析就是可以分析研究结构尺寸或参数对上述分析结 果的影响。所以要执行敏感度研究，必须先正确无误的运行完前面的分析，然后通过指定设计参数。定义敏感度研究分析。通过敏感度研究可以得到指定的设计参数对分析结果的影响方向和程度。 如下图分别为零件厚度及应力较大处圆角两个尺寸对最大应力、最大变形及一、二阶模态的影响。 4.1 有限元分析方法与原理 齿轮是发动机中传递动力的重要零件，其设计是否可靠，在很大程度上影响着发动机的使用寿命，因此在研究过程中需给予格外重视。由于齿轮的载荷比较复杂，它在工作中承受各种复杂的、周期性变化的拉压及惯性力等外载荷，即使是同一类型的齿轮，几何形状也存在差异，因此对其采用经典力学的方法进行结构分析往往有局限性。在分析齿轮的应力和应变时，要考虑这些不确定的因素，这样才能得到更符合实际的结果。 在进行齿轮设计时，希望能设计一个重量轻，可靠性好的齿轮，这种齿轮在平面运行时惯性力最小，这对于减轻发动机的轴承负荷、振动等都会带来不少的益处，然而齿轮的重量和可靠性往往是互相矛盾的。研究齿轮必然要研究其应力和变形问题，在弹性范围内，对于这类构件的应力、变形、位移等，可通过弹性力学的方程予以描述和求解。但是由于方程本身的复杂程度和求解域及边界条件的复杂性，常使对上述偏微分方程组的精确求解变得困难或无法进行。在这种情况下，寻求上述问题的数值解法，以获取满足工程精度要求的近似解，就变得十分重要了。有限元法正是最有效、应用最广泛的一种数值解法。 24 4.1.1有限元分析 有限元分析是应用有限元法(Finite Element Method，简称FEM)辅助产品设计开发，提高产品可靠性的工具之一。它最先应用于结构的应力分析，很快就广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续问题。 有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法，将研究对 象离散成有限个单元体，单元之间仅在节点处相连接，通过分析得到一组代数方法，进而求得近似解。 有限元法是用来分析各种结构问题的强有力的工具，不论结构的几何形状和边界条件多么复杂，不论材料性质和外加载荷如何多变，使用有限元法均可获得满意的答案。目前，有限元法己成为工程技术领域中不可缺少的一个强有力的计算分析工具，是研究应力、应变最常用的方法，该方法比传统的采用材料力学公式计算的结果更为精确。 随着电子计算机的广泛应用以及有限元理论的发展与完善，有限元分析技术己经成为一种重要的、常用的计算机辅助工程分析技术。 4.1.2有限元的基本原理和特点 1. 有限元法的原理 有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个并且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体，从而将全求解域上待求的未知场函数分片地表示为每一个单元内假设的近似函数。该近似函数通常由未知场函数及其导数在单元的各个节点的数值和其插值函数来表达。这样未知场函数及其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量，从而使一个连续的无限自由度问题就变成离散的有限自由度的问题。求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似值。 有限元分析是一种预测结构的偏移与其应力影响的过程，有限元建模将这个结构分割成单元网格以形成实际结构的模型，每个单元体具有简单形态(如四面体或六面体)并通过节点相连，每个单元上的未知量就是节点的位移。将这些单个单元的刚度矩阵相互组合起来以形成整个模型的总体刚度矩阵，在已知载荷力和边界条件下来求解该刚度矩阵从而求解出位移，并从节点上位移的变化就可计算出每个单元中的应力。 25 有限元计算模型在离散化后归结为一个线性方程组求解，其线性代数方程组如下: {F}=[K]{δ} (3 .1) 式中{F}为载荷向量，[K]是计算模型的整体刚度矩阵，{δ}是节点位移向量。根据有限元理论，[K]是由每个单元的刚度矩阵迭加而成，即: e [K]= ?[K] (3 .2) e式中区[K]表示单元的刚度矩阵，其计算公式为: Te [K]= (3 .3) ,,,,,,BD Bdxdydz,,, 式中[B]表示单元的几何矩阵，该矩阵与单元类型有关，[D]是材料的弹性矩阵， 该矩阵是6X6阶的对称矩阵，具体形式取决于材料的特性。 式(3.1)中所受的外力向量可由下式表达; eee (3 .4) F=R+Q，P,,,,,,,,，，, eee式中扭R是单元的集中力，Q是单元的表面力，P是单元的体积力。 ,,,,,, 在得出方程(3.4)的各系数后，给出边界条件，可得出所求有限元模型上各 节点的位移。为了求出模型上的应力，先求出单元上各节点的应变。 ,,,,,,,,, (3 .5) ,,,B,,,,,, 然后根据弹性方程 (3 .6) ,,,D,,,,,, 计算出应力,。 ,, 2. 有限元方法的特点 概括而言，有限元法的几个主要特点有: (1)有限元法的基本思想是“离散化”。 (2)有限元法的物理概念十分清晰，容易为工程技术人员所理解。 (3)有限元法引入边界条件的办法简单。 (4)有限元法不仅适用于复杂的几何边界条件，而且能够处理各种复杂的 材料性质问题。 (5)有限元法求解的是用人工求解法几乎不可能的大型代数方程组。 26 (6)有限元法的计算机软件是通用的。 4.1.3有限元网格生成技术 网格划分是应用适当类型和数量的单元把将要进行分析的实体模型离散化，这是有限元分析中工作量最大的一个环节。 在网格划分过程中，用户可以采用自动划分、半自动划分以及人工划分等方法来离散实体模型。经过网格划分后，得到实体的有限元模型。该有限元模型包含有限个单元与节点。因此在网格划分之前，用户需要定义单元的类型、大小以及疏密等。 一般来说，对于同一实体模型，网格划分越密，则单元越小、节点越多，有限元数值解的精度也就越高，因此计算结果的精度也越高。然而对计算机的存储容量的要求也越大，通常是在域变量梯度大处(即分析数据较大的地方，如应力集中处)，单元划分需要加密。 目前，有限元网格生成方式基本上可分为两种类型: 1(不基于几何模型自动生成节点和单元模型。如果模型相对简单或采用的软件功能有限，则一般采用这种建模方式。依据模型的特点，整个模型可以采用手工方式建立，也可以首先通过手工建立一部分节点和单元，然后通过旋转拷贝、平移拷贝、合并操作建立整个模型。早期的模型建立受软硬件条件的限制只能采用这种方式。对于具有重复或对称结构的模型，这种建模方式具有较高的效率。现在，许多具有很强前处理功能的大型有限元分析软件，仍然保留这种建模方式，只是在使用方便性上有了较大的提高。 2. 基于几何模型自动生成节点和单元模型。近些年来，有限元前处理技术进展的一个突出特点是CAD几何造型(特别是三维实体造型)技术的引入。在建模环境下可以自动生成模型相应的有限元网格模型。目前许多CAD系统都有自动生成实体模型的网格模型的功能。 按照第二种类型，基于实体模型建立有限元网格符合现代CAD并行工程的要求。现代CAD并行工程要求分析模型能充分利用设计的主模型，并与设计主模型相关一致。显然，这样极大地提高了分析结果的可信度，同时也大大提高了有限元网格模型的生成速度和分析效率，节约了大量的时间和人力，这对于有限元技术的实际运用具有重要意义。 27 4.1.3 网格划分举例 1、 首先打开你要划分的零件(*.prt)或装配(*.asm) 此主题相关图片如下: 2、 I、进入mechanica 此主题相关图片如下: II、注意所用单位，在设置网格大小时不要犯单位错误。 此主题相关图片如下: 28 structure和thermal均可，但要使用有限元模式: 3、 mechanica界面及工作顺序，其中2.0的不用指定材质也可，但3.0必需先指定材质才能输出结果。本例2.0没有指定材质。 29 4、 指定网格密度，上步骤中的2号按扭 I、选项很多，常用的为最大和最小单元尺寸。本例为最大单元尺寸 II、可对线、面、点、整个零件指定网格密度，在装配中对零件指定网格密度是很常用的。本例为对整个零件指定网格密度。 30 |||、最大单元尺寸为0.5mm 5、 划分面网格 I、点选3步骤中的3号按扭，以生成网格，出现下面的界面，选择boundary. II、下一栏选三角形(只能是三角形才能让meshcast接受) III、划好后可以进行检查，不满意可重划，也直接关闭。 31 6、输出*.ans文件，3步骤中的4号按扭 I、选项如下图 II、出警告如下图，是说没有定义材质，2.0的直接“是”，3.0的不行，得去 32 定义材质。本例是2.0，点是即可。 7、转换*.ans文件为*.sm文件 8、meshcast生成体网格 I、打开*.sm文件 II、检查并生成体网格 III、体网格最后处理，并保存文件 9、precast打开*.mesh文件.如果是划分的.ans文件，也就是装配图，不用 指定材料，可以直接跳过，到procast中 再设置材料。 对齿轮的网格划分如下图: 33 第五章 基于Pro/Mechanism直齿轮啮合、斜齿轮啮合过程中装 配与运动仿真 5.1 Pro/M的简介及其主要特性 5.1.1 Pro/M的简介 同其他有限元软件相比，Pro/E软件可以完全实现几何建模和有限元分析的集成。绝大部分有限元软件的几何建模功能比较弱，这些有限元软件通常通过IGES格式或者STEP格式进行数据交换，而这样做最大的弊端在于容易造成数据的丢失，因此常常需要花费大量的时间与精力进行几何模型的修补工作。使用Pro/M恰好可以克服这一点，该软件就可以直接利用Pro/E的几何模型进行有限元分析。由于Pro/E具有强大的参数化功能，那么在Pro/M中就可以利用这种参数化工具的特点，进行模型的灵敏度分析和优化设计，具体地说，当模型的一个或多个参数在一定的范围内变化时，求解出满足一定设计目标(如质量最小、应力最小)的最佳化几何形状。 因此，可以说Pro/M软件可以真正使工程师们将精力集中在设计工作中，在设计初期就将设计和分析结合起来，从而实现智能设计。使用Pro/M不需要较深的有限元知识，用户只要略懂材料属性和应力应变基础就可以进行复杂模型的分析工作。 34 5.1.2 Pro/M的主要特性 1. 全相关性:Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。 2. 基于特征的参数化造型:Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如:设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。 3. 装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数(不但包括几何尺寸，还包括非几何属性)，然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。 4. 数据管理:加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/ENGINEER独特的全相关性功能，因而使之成为可能。 5. 装配管理:Pro/ENGINEER的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。 6. 易于使用:菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。 5.2 机构运动仿真的一般过程 PRO/ MECHANICA MOTION模块.是一个完整的三维实体静力学、运动学、动力学和逆动力学仿真与优化设计模块，是机构运动分析强有力的工具。在PRO/ E操作界而就可以使用集成的PRO/ MECHANICA MOTION中的函数。机械系统运动仿真的一般过程如图2.1所示。 总体方案设计主要是利用已知条件，以及希望达到的目的或机械应实现的功能， 35 进行机械的全局设计，在头脑中构思形成比较完善的设计方案。 建立运动模型是指进行机械各部分的具体设计，首先确定各零件的形状、结构、尺寸和公差等，并在计算机上进行二维绘图和三维实体造型，然后通过装配模块完成各零件的组装，形成整机。装配是运动仿真的前提保障，装配关系的正确与否自接影响着运动仿真的结果，装配前首先要确定运动的各构件以及各构件之间的运动副。确定好各构件及各构件之间的运动副之后即可通过选择构件和运动副组成机构，最后由各机构组成整机，并为仿真作准备。 图1机械系统运动仿真过程 设置运动环境是定义机械系统运动所必需的各种条件，比如:运动的动力源，初始位置和状态等。在复杂的机械系统中，要定义多重的动力驱动，并要定义不同驱动之间的大小方向等的关系，还要约束机构的最大和最小运动极限，使系统能在合理的范围中运动。在已建立运动模型的基础上，此步骤将赋予模型运动的属性。系统将在此定义下完成要求的运动。 分析运动机构是定义要分析的属性。在PRO/ M中包括装配分析，速度分析，静态分析，运动分析等多种分析类型。通过对系统的各种动态分析，可迅速得到相关的信息，以此设计和完善构件。 36 获取分析结果是将分析的结果通过可视化的方法表现出来，主要包括运动回放，可分析干涉检验，运动包络等，还可测量系统中需要跟踪的参数，并将其变化趋势通过图表的形式自观的表现出来。 在整个机械系统运动仿真的过程中，各步骤之间并非绝对的线性或单方面，而是相互关联和影响的，通过分析反馈信息，完善运动模型，变化运动环境，以及分析的结果对比，各步骤之问综介的调整和作，才会使最终结果趋向满意。 5.3 机械系统运动仿真的优越性 通过机械仿真，可以在进行整体设计和零件设计后，对各种零件进行装配后模拟机械的运动，从而检查机械的运动是否达到设计的要求，可以检查机械运动中各种运动构件是否发生干涉。同时，可自接分析各运动副与构件在某一时刻的位置，运动量以及各运动副之间的相互运动关系，关键部件的受力情况。从而可以将整机设计中可能存在的问题消除在萌芽状态，减少试制样机的费用，并大大缩短机械产品的更新周期。 5.4 Pro/E装配模块 5.4.1 对于组装时，我们需要把握以下原则: 1. 固定不动的构件，如机架，则用Pro/E的一般组装:如固定或者缺省放置，而不用连接类型。 2. 其他运动部件，大部分的运动都属于旋转运动，组装时，采用“销钉”连接，销钉连接的条件有两个:一是对齐的轴、二是对齐的面。所以常会要用到轴对齐，但是中心轴可能会有好几个轴叠在一起，所以在组装最后的构件时，就要选定中心轴，要不然最后可能会动不了。为了解决此问题，我们可以“手动”按钮，来查看运动部件是否正确安装。 3. 组装进来的构件越多，基准面和基准轴的显示会让画面越乱，而干扰了选取。此时，除了直接单击工具列上的基准面和基准轴开关按钮外，还可以通过打开“特征”开关项，然后再在模型树里，将不用的基准面和基准轴特征关闭。 如果要将隐藏的状态保存起来，那么就要转到图层树区中，单击鼠标右键，选择 37 “保存状态”命令即可。 5.4.2 关于直齿轮机构的组装 1. 首先我们来放置好机架，机架是固定的，我们在装配的时候采取“缺省”或者“固定”放置;如图: 机架图 2. 接下来我们装配第一个蜗杆，由于它的运动特点属于旋转运动，所以我们采用销钉连接，对它进行的约束条件是:轴对齐与面对齐;如图所示: 38 蜗杆连接图 3. 安装第一个齿轮和安装蜗杆的方法是一样的，采用销钉连接，要注意的地方就是，对齐面的选取;如图所示 蜗轮与蜗杆连接图 4. 锥齿轮的链接仍然是采用销钉连接;如图所示: 39 5. 最后的直齿轮连接采用销钉连接;如图所示 直齿轮连接 5.5 基于Pro/Mechanism直齿轮啮合、斜齿轮运动仿真 5.5.1 运动定义及运动分析的一般步骤 在上一章中我们完成了对零部件的组装，接下来就该对机构进行运动分析。 运动是动力学的一个分支，它考虑除质量和力以外的所有运动。运动分析会仿真 40 机械设备的运动，满足伺服电动机轮廓及任何接头、凸轮从动件、槽从动件或齿轮对连接的需要。但运动分析不会考虑力。因此，无法使用电动机，且不用指定机械设备的质量属性。模型中的动态图元，如弹簧、阻尼器、重力、力/扭矩及执行电动机等，都不会影响运动分析。 需要注意的是，如果伺服电动机有非连续性的轮廓，Mechanism在运行运动分析前会先试着将轮廓连续化。如果无法将轮廓连续化，那就无法使用该电动机来分析。使用运动分析后，可以取得以下信息: 1. 几何图元及连接的位置、速度和加速度 2. 组件间的干涉 3. 机械设备运动的追踪曲线 4. 将机械设备运动截取为Pro/E零件的运动包络 对于轮系，具体步骤如下: 1. 定义连接和约束 机构的运动仿真必须同时定义零部件之间的连接类型和约束类型。在轮系和间歇运动机构中，各齿轮分别与其支撑轴间按销连接方式进行连接，即各齿轮均能绕其支撑轴作旋转运动，而不能按刚性方式连接，否则将无法定义齿轮从动连接结构。 2. 定义齿轮从动连接结构 单击工具栏中的按钮，弹出“齿轮副”对话框。单击“新建”按钮，弹出“齿轮副定义”对话框。接受系统默认的名称“GearPairl”和默认的传动类型“标准”。选取连接轴，接受其它默认设置，在“直径”输入框中输入其节圆直径;单击“齿轮2”选项片，显示有关齿轮2的对话框。选取齿轮2的连接为连接轴，接受其余默认设置，在“直径”输入框中输入齿轮2的节圆直径。同理定义另一对齿轮。在设计阶段，如果只是为了得到机构的传动比，在进行齿轮副设置时，所选择的两个对象没必要是齿轮形状，例如可用一圆盘代替齿轮，以减少工作量，提高设计效率。 41 3. 添加驱动器 完成机构创建后，必须定义机构的驱动器，即定义原动件的运动类型和运动参数。单击工具栏中的按钮，弹出“伺服电动机”对话框。单击“新建”按钮，显示“伺服电动机”对话框。接受系统默认设置。选取连接轴，单击“轮廓”选项卡，单击“位置”旁的下拉按钮，选取“速度” 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 ，接受其余系统默认设置，输入A值" 10 000”或“100"，即传动轴的转速为“1 667r/min”或“16. 7r/min" 4. 运动分析 单击按钮弹出“分析”对话框。单击“新建”按钮，显示“分析定义”对话框，其余接受系统默认设置。在此，选择齿轮与其支撑轴和底座锁定，使相互锁定的两零件间无相对运动。单击“运行”按钮，把运行结果存入结果集。单击“关闭”按钮，关闭对话框。 5. 结果回放与分析 42 单击 播放按钮弹出“回放”对话框，即可在对话框中进行回放设置。 单击 按钮，弹出“测量结果”对话框。接受系统默认的图形类型“测量与时间”。单击“增加”按钮，弹出“测量定义”对话框，选取测量类型为“速度”，选取测量对象，接受系统默认的其余设置。回到“测量结果”对话框。单击“测量结果”对话框中的按钮，从图中可以看出测量值的变化量。 5.5.2 空间定轴轮系机构的运动分析 完成组装后，进入Mechanism设置面和间的对齐约束。隐藏不必要的面和构件，以让面画清楚。在这个操作中，我们可以先对正齿轮的部分做对齐约束，然后创建快照保存下来，等下面的斜齿轮组装完成后，调用原先的快照，并继续补另两组对齐约束，再创建第2个快照，并删除第1个快照即可。 5.5.3 定义齿轮从动连接结构 当组装完成后，总共会有4组轴。如果做出6组轴那就是错误的，因为中间有两组共享一根连杆的齿轮应该当作一个齿轮，尽管他们的齿数不一。因此，那两组齿轮就要做成两组次组建文件组装起来。设置的技巧是，先以默认的方向设置齿轮副，然后做“运动学”动态仿真。单击工具栏中的按钮，弹出“齿轮副”对话框。单击“新建”按钮，弹出“齿轮副定义”对话框。接受系统默认的名称“GearPairl” 43 和默认的传动类型“标准”。选取连接轴Connection_24.axis_1，接受其它默认设置;单击“齿轮2”选项片，显示有关齿轮2的对话框。选取齿轮2的连接轴Connection_25.axis_1，接受其余默认设置。同理定义另外三对齿轮。具体设置见图 5.5.4 添加驱动器 单击工具栏中的按钮，弹出“伺服电动机”对话框。单击“新建”按钮，显示“伺服电动机”对话框。接受系统默认设置。选取连接轴Connection_22.axis_1，单击“轮廓”选项卡，单击“位置”旁的下拉按钮，选取“速度”规范，接受其余系统默认设置，输入A值“100”，即传动轴的转速为“16. 7r/min"。其设置见图5.3。 5.5.5 运动分析 单击按钮弹出“分析”对话框。单击“新建”按钮，显示“分析定义”对话框，其余接受系统默认设置。单击“运行”按钮，把运行结果存入结果集。单击“关闭”按钮，关闭对话框。其设置见图。 5.5.6 图形结果分析 单击 按钮，弹出“测量结果”对话框(如图5.5所示)。接受系统默认的图形类型“测量与时间”。单击“测量结果”对话框中的按钮，弹出如图5.6所示的“图形工具”框，从图中可以看出测量值的变化量。 第六章 直齿轮、斜齿轮的静力学分析 6.1 Pro/MECHANICA有限元分析的基本步骤: 1)建立几何模型:在Pro/ENGINEER中创建几何模型。 44 2)识别模型类型:将几何模型由Pro/ENGINEER导入Pro/MECHANICA中，此步需要用户确定模型的类型，默认的模型类型是实体模型。我们为了减小模型规模、提高计算速度，一般用面的形式建模。 3)定义模型的材料物性。包括材料、质量密度、弹性模量、泊松比等 4)定义模型的载荷。 5)定义模型的约束。 6)有限元网格的划分:由Pro/MECHANICA中的Auto GEM(自动网格划分器)工具完成有限元网格的自动划分。 7)定义分析任务，运行分析。 8)根据设计变量计算需要的项目。 9)图形显示计算结果。 6.2 Pro/MECHANICA STRUCTURE基本分析过程 1.在Pro/ENGINEER模块中完成结构几何模型后，单击“应用程序”?“Mechanica”,弹出下图所示窗口，启用Mechanica structure。 2.添加材料属性 单击“材料”，进入下图对话框，选取“More”进入材料库，选取材料 45 3. 定义载荷 1)加载集中力或力矩，点击，出现 Name 基本载荷工况名称 Number of Set 载荷集名称 Reference 施加载荷时的参照，可以是surfaces、edges/curves、points Properties 选择坐标系，默认为全局坐标系 46 Advanced 点击该按钮后，可以选择载荷的加载方式，可以加载载荷总值，也可以在每单位面积或点上加载;载荷的大小可以用函数来控制，使得载荷的施加非常方便。 2)加载分布力，点击，出现 Name 基本载荷工况名称 Number of Set 载荷集名称 Reference 施加载荷时的参照，只能选择surface Advanced 点击该按钮后，可以选择载荷的加载方式。可以均匀加载，可以用函数加载，也可以通过外部.fnf格式的文件加载 3)加载重力载荷，点击，出现下图对话框， Name 重力载荷名称 Number of Set 载荷集名称 47 Coordinate System 选择坐标系，默认为全局坐标系 Acceleration 定义重力加速度方向及大小 4.定义约束 1):位移约束 点击，出现下图所示对话框， Name 约束名称 Number of Set 约束集名称 Reference 施加约束时的参照，可以是surfaces、edges/curves、points等 Coordinate System 选择坐标系，默认为全局坐标系 Translation 平动约束 Rotation 旋转约束 2):对称约束 点击，出现下图所示对话框， 48 Name 约束名称 Number of Set 约束集名称 Type 约束类型有镜像和循环对称两种类型 4. 定义idealizations 1):壳单元 点击，弹出下图所示窗口， 49 Name 壳单元名称 Type 简单和高级两种类型，高级中可以定义材料方向 Reference 定义壳单元时的参照 2):梁 点击，弹出下图所示窗口 Name 梁单元名称 Type 默认为梁单元 Reference 定义壳单元时的参照 Materials 梁单元的材料 Properties 定义梁单元的Y轴方向 5.定义连接形式 1):连接形式 点击，出现下图所示窗口 50 Name 连接形式名称 Type 连接类型有固结、自由、接触 Reference 定义连接时的参照，可以是面和面之间连接，也可以是零件和零件之间连接 2):刚性区域 点击，弹出下图所示窗口， 刚性区域可以模拟铰轴连接，代替ALGOR、ANSYS中杆梁组合模拟铰轴的形式。 6.定义分析 前处理部分完成后，点击，弹出下图所示窗口， 51 可以定义静力、模态、屈曲、疲劳、预紧力以及动态分析等等。 定义完分析类型后，点击即可进行分析，在分析之前也可以点击，预先生成网格，通过“自动几何”?“控制”菜单，对生成的单元类型及大小进行调整。 7. 结果查看当分析完成后，点击，弹出下图所示窗口， 52 6.3 简单算例 6.3.1 接触算例 1.设置工作目录为盘符:\temp\example1。 2.打开零件模型example1.asm，如下图所示 53 3. 设置模型单位 点击主菜单“编辑”?“设置”，弹出图6.2所示菜单管理器，点击其中的“单位”，弹出图6.3所示单位管理器，计算分析时一般将单位设置为毫米牛顿秒，若单位需变换，可点击右侧“设置”按钮，弹出图6.4所示改变模型单位对话框，选择“转换尺寸”单选框即可。 图6.2 图6.3 54 图6.4 4.进入分析程序 点击主菜单“应用程序”?“Mechanica”，图6.5所示，弹出图6.6所示unit info窗口，单位确认无误后点击“Continue”，选择模型类型为Structure即进入分析程序。 图6.5 图6.6 5.定义模型材料 55 点击主菜单“属性”?“材料”，图6.7所示，弹出图6.8所示材料对话框，选择材料，双击或点击即可添加到“模型中的材料”一栏，右键点击已选择的材料，可以编辑材料的物性。点击主菜单“属性”?“材料分配”，图6.9所示，弹出图6.10Material Assignment窗口，将example1.asm选中，即分配完材料。 图6.7 图6.8 图6.9 图6.10 6.定义约束 点击主菜单“插入”?“位移约束”，图6.11所示，弹出图6.12所示constraint对话框，选择两个底面进行全约束。 56 7. 定义刚性区域 8. 定义面域 9. 定义载荷 (1)自重载荷 点击主菜单“插入”?“重力负荷”，图6.15所示，弹出图6.16所示Gravity Load窗2mmsec口，参照全局坐标系，定义Z向9800 (2)定义集中力 57 点击主菜单“插入”?“力/力矩负荷”,图所示，弹出图6.18所示Force/Moment Load窗口，参照全局坐标系，定义载荷方向及大小。 (3)定义扭矩 同(2)的定义方式相同，只是在Moment栏定义载荷即可。 10. 定义分析 上面我们已经建立起了有限元计算所需要的几何模型、材料、约束以及载荷边界条件，点击主菜单“分析”?“Mechanica分析/研究”,图6.19所示，弹出图6.20Analyses and Design Studies窗口。 点击“File”下的“New Static”，弹出图Static Analysis Definition窗口，选中上述定义的载荷集和约束集。在名称中输入example1，图6.22所示。 图6.19 图6.20 58 图6.21 图6.22 定义完静力分析后，选择图6.22“Run”?“Setting”进行分析运行时的各项设置，包括文件的存放路径以及分配的内存数量等，(或者直接单击命令图标)，进行上述的设置，如图6.23所示。 图6.23 11. 运行分析 点击图6.22中的，开始分析计算。分析任务开始执行，屏幕会闪动几次，最终会在信息栏中出现“The design study has started.”消息。接下来Pro/MECHANIC进行自动网格划分、建立方程、求解方程等一系列工作，这些工作是在后台进行的，对用户 59 不可见;不过用户可以通过选择Info|Status„(或者单击图标)，查看运算过程信息。当信息中显示计算完毕(Run Completed)后单击“完成”按钮关闭对话框。 12. 查看分析结果 (1)直接点击图6.22中的图标，弹出图6.24所示窗口，“Display Type”?“Fringe”即以云图形式显示结果，“Quantity”?“Displacement”查看变形，在“Display Options”中勾选“Deformed”，点击“OK and Show”即可显示位移结果，图6.25所示。 分析结果如下图所示: 60 61 总 结 本文是基于Pro/Mechanism Wildfire机构/运动分析，对连杆机构和凸轮机构进行组装，运动学仿真，静态分析和动态分析。本人的设计步骤基本上按照传统的机构分析理论进行，但同时具有很多自己的新异，主要是对凸轮机构的静态和动态分析，进行不同角度的分析研究。对有限元的分析和运动仿真进行了示例和研究。 作为一名本科学生，毕业设计是对所学知识运用的一次很好的考验，在设计的过程中本人充分运用本科所学的知识。翻译外文用到英语知识;在设计组装机构时用到《Pro/ENGINEER 基础教程》的知识;在分析机构理论时用到《机械设计学》、《机械原理》、在对机构进行动态仿真，静态分析，动态分析时用到《Pro/Mechanism Wildfire机构/运动分析》的知识等;在对论文排版时又对WORD有了更深入的了解。 由这次毕业设计本人学会了怎样对一项从没见过的课题进行设计。从分析课题，搜集相关材料，阅读并综述相关资料以及设计计算等过程有了清晰的思路。这次设计培养了本人的设计能力，为将来工作奠定了一定的基础。 62 致谢 本文是在肖新华老师的悉心指导下完成的。老师严谨的治学态度、渊博的学识、敏锐的洞察力和高瞻远瞩的学术思想令学生敬佩。本论文从开始选题、研究工作的展开到最后论文的撰写、修改，老师都给予了精心的指导。从尊敬的老师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此，谨对肖新华老师的辛勤培养与无私关怀致以最崇高的敬意和深深的感谢～ 感谢同组人员周毅、桑毅、罗承兴，与他们在一起共同解决在毕业设计期间遇到的种种问题。让我懂得一个团队的力量是很强大的。 最后，向所有关心和帮助过我的领导、老师、同学和朋友们表示由衷的谢意和崇高的敬意～也衷心感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授! 张志敏 2011.05.20 63 阅读的主要文献、资料 [1] 门超. 基于Pro/Engineer的斜齿轮参数化设计[J]. 科技信息(学术研究), 2008 [2] 王科元,陈永成. 基于Pro/E的渐开线斜齿轮参数化设计[J]. 机械设计与制造, 2005, [3] 张超,张益华. Pro/E二次开发技术在齿轮三维参数化设计中的应用[J]. 机械制造与自动化, 2004, (06) . [4] 李燕. 基于Pro/E的齿轮三维参数化特征造型设计[J]. 制造技术与机床, 2003 [5] 宋淑娥,施志辉. 基于Pro/E的三维参数化标准件库的建立[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2004, (12) . [6] 徐军民,王艳霞. 基于Pro/E的三维参数化零件设计[J]. 浙江科技学院学报, 2005, [7] 赵德金,廉哲满. 基于Pro/Engineer野火版2.0的斜齿轮建模和运动仿真[J]. 延边大学学报(自然科学版), 2005, (04) . [8] 贾颖莲,何世松. Pro/E在零件参数化设计中的研究及应用[J]. 中国科技信息, 2007, (18) . [9] 韦建召,晋刚,瞿金平. 基于Pro/E的斜齿轮参数化造型的创建[J]. 现代制造工程, 2004, (10) . [10] 熊义君,王国荣. 基于Pro/ENGINEER的齿轮参数化设计方法[J]. 中国新技术新产品, 2010, (08) . [10] 陈惠. 基于Pro/Engineer的斜齿圆柱齿轮的参数造型[J]. 机械研究与应用, 2006 [11] 郭南初. 利用Pro/ENGINEER进行齿轮的参数化设计[J]. 安徽建筑工业学院学报(自然科学版), 2003, (03) [12] 谢云叶, 曹树坤. 系列化零件的参数化实体建模技术[J]. 机械工程师, 2004 13] 汪永志, 施卫东, 董颖, 黄海峰. 基于Pro/ENGINEER的叶轮参数化三维造型[J]. 中国农村水利水电, 2004, (12) [14] 黄燕钧, 陈群, 高思颖. 用Pro/E进行圆柱齿轮的三维参数化特征造型设计[J]. 桂林航天工业高等专科学校学报, 2003, (03) [15] 安宁, 易军. 用Pro/PROGRAM简化设计[J]. 湖北工业大学学报, 2003。 64 65